особенности метода, плюсы и минусы

При сваривании металлической поверхности с помощью лазерной сварки весь процесс осуществляется лазерным лучом, который генерируется квантовым лазерным генератором.

В международной номенклатуре лазерная сварка обозначается следующей аббревиатурой: LWB – сварка посредством лазерного луча.

 

 

Техническая особенность лазерной сварки

Лазерный луч по сравнении со световым пучком характеризуется следующими свойствами, которые позволяют использовать его в процессе сваривания двух металлических поверхностей:

• направленность узкого лазерного луча позволяет сосредоточить всю тепловую энергию, которая необходима для образования сварочной ванны, в месте малой площади до десятых долей миллиметра.

Это позволяет производить соединение очень тонким швом;

• лазер имеет более эффективную способность к фокусировке оптическими линзами, так как лазерный поток монохроматичен, имеет одну интерференционную фракцию и одинаковую длину волны, в то время, как световой поток имеет несколько фракций с различными длинами волн;
• когерентность потока означает способность лазерного луча к резонансу, который увеличивает мощность потока.

Для этого в сварочных аппаратах лазерной сварки используются резонаторы колебаний магнитных полей, которые так же позволяют усиливать и уменьшать поток по площади.

По виду сварочные лазеры различают на твердотельные и лазеры с газовой прокачкой:

• Твердотельные лазеры. Лазер представляет собой трубку, которая внутри покрыта зеркальной поверхностью – зеркалом насыщений.

В центре трубки находится цилиндрический трубчатый рубин, который и является преломляющей линзой для образования лазерного луча.

На внешний контр подаются токи возбуждения, которые подаются так же и на лампу возбуждения, которая создает кратковременный высокочастотные световые импульсы, эти импульсы аккумулируются рубиновой трубкой.

После этого внутри рубина возникает ионизированный лазерный пучок. Далее лазерный луч выгоняется направленным магнитным полем.

Отличительная черта таких лазеров – малая мощность лазерного луча, поэтому область применения данной сварки – работа с малогабаритными и легкоплавкими деталями.

Такие лазеры нашли активное применение в микроэлектронной промышленности: производство микросхем, микро распределителей, диодов и тиристоров;

• Газовые лазеры обладают намного большей мощностью. Их отличительной чертой от твердотельных лазеров является тот факт, что полость отражательной трубки заполнена смесью ионизирующего газа, как правило, СО2+N2+Не.

Схема работы такого лазера не отличается сложностью: в трубке расположены два электрода, которые и являются возбудителями для образования направленного лазерного заряда в газе.

Лазерный луч направляется магнитными полями высокой мощности.

Такие сварочные аппараты оснащаются водяной системой охлаждения, так как рабочая полость с азом разогревается от импульсного воздействия электродов.

Газодинамические лазеры по своему устройству похожи на обычные газовые лазеры, но в данном случае газ в номинальной температуре 10000 градусов по Цельсию подается через сопло Лаваля, где он ионизируется и превращается в лазерный поток ионов газа.

Не имеете сварочного аппарата, но есть потребность сделать мелкий ремонт запчастей на автомобиль? Не проблема – используйте холодную сварку.

Много слышали о сварке алюминия, но не знаете что для этого надо? Читайте здесь о всех способах сварки алюминия.

Технология сварки лазером

Для производства работ не требуется вакуум, подойдут и обычные атмосферные условия.

Обычно защиту сварочной ванны производят аргоном, но есть один нюанс: во время взаимодействия металлов и лазера происходит расплав металла и его испарение.

Это может привести к тому, что лазерный луч начнет экранировать и преломляться, нарушая сварной шов.

Чтобы этого избежать в рабочую зону принудительно подается гелий – газ, который гасит возможные плазмообразования и испарения металла.

Лазерный луч несколько углубляется в стыкованные кромки, создавая из них припой.

С помощью такой технологии можно добиться “кинжальной” тонкости и ровности шва, к тому же весь процесс лазерной сварки полностью автоматизирован.

А вы знали что плазмой можно не только паять, но и резать все металлическое, керамическое, каменное и бетонное. Читайте как использовать современный аппарат для плазменной сварки при работе с разного рода металлами.

Всегда хотели знать как правильно соединять полипропиленовые трубы при помощи сварочного аппарата для сварки полипропилена? Здесь описаны все нюансы.

 

Преимущества и недостатки сварки лазером

К самым явным преимуществам относятся:

• возможность дозировать подаваемую энергию в очень большом диапазоне.

Это позволяет создавать высококачественные сварные соединения любых поверхностей;

• с помощью газовых лазеров можно получить большую глубину оплавления, при этом термическое повреждение не расходится в ширь, что очень важно при производстве радиотехнических деталей малого размера;
• управление лазерным потоком с помощью системы зеркал и отражателей позволяет достигнуть труднодоступных мест и участков.

К примеру, все подводные коммуникации варятся лазерным лучом с постамента, который может быть помещен внутрь трубопровода и управляться по радиопередатчику;

Недостатки:

• лазерная технология является новейшей и обладает малым КПД, высокой стоимостью на производство и эксплуатацию оборудования;
• обучение сварщика лазерной сварке и приемам обучения с агрегатом требует длительных сроков и знаний.

Несмотря на эти недостатки, прогресс не стоит на месте, лазерная сварка – технология будущего.

Флюс намного дешевле инертного газа, который употребляется при газовой сварке, и что это более простая и надежная технология, и к тому же она легко транспортируется? Все преимущества и недостатки читайте в статье про особенности сварки под флюсом.

Хотите узнать более детально как выполнить качественно сварку, как цветного, так и черного металлов? Подробности в этой статье.

Читайте также:

• Холодная сварка Холодная сварка – это способ соединения металлических деталей без применения температурного воздействия. Склеивание происходит за счет пластичной […]
• Холодная сварка для линолеума Часто перед обывателем, затеявшим ремонт, возникает вопрос: чем сварить линолеум между собой? Холодная сварка линолеума — очень эффективный и […]

Лазерная сварка. Общая информация.



Лазерная сварка — технологический процесс получения неразъемного соединения частей изделия путем местного расплавления металлов посредством нагрева по примыкающим поверхностям. 

Источником нагрева металла является излучение лазера. Когда лазерный луч попадает на металл, энергия излучения поглощается, металл нагревается и плавится. В результате такого плавления и последующей кристаллизации возникает прочное сцепление, которое называется сварной шов. Такое сцепление основано на межатомном взаимодействии в металле.

Таким образом, лазерная сварка относится к методам сварки плавлением.

Как и любой технологический процесс лазерная сварка имеет свои преимущества и недостатки. К основным преимуществам лазерной сварки можно отнести: локальность обработки материала, высокая производительность, технологическая гибкость и удобство.

Локальность обработки материала

В локальности обработки заключается ключевое преимущество лазерной сварки. Лазерный луч можно сфокусировать в пятно диаметром до 0,1 мм. В таком маленьком пятне может концентрироваться высокая энергия в очень небольшой промежуток времени. Другими словами, при высокой плотности мощности излучения и коротком времени облучения металл нагревается только в зоне лазерного излучения. Это существенно уменьшает объем сварочной ванны (место плавления металла при нагреве), что позволяет делать сварные швы и точки значительно меньше по размеру (ширина шва или диаметр точки), но с большей глубиной проплавления, чем при при помощи других технологий сварки металлов (дуговая и контактная сварка).

Кроме того, небольшой объем сварочной ванны, небольшая ширина шва и относительно большая глубина шва, а также жесткий термический цикл с высокими скоростями нагрева и охлаждения  дает возможность при лазерной сварке уменьшить зону термического влияния и, следовательно, снизить деформации деталей в целом и снизить эффект фазовых и структурных превращений в околошовной зоне, приводящих к разупрочнению материала, трещинообразованию и т.п.

Также малый объем сварочной ванны и специфическая для лазерной сварки форма шва улучшают условия кристаллизации расплавленного металла и, следовательно, улучшают прочность сварных соединений.

Таким образом, преимущество лазерной сварки в локальности обработки материала позволяет:

• проектировать детали меньшего размера, расширить ассортимент деталей со сварным соединением, учитывая исключительно маленький сварной шов при лазерной сварке;
• обрабатывать детали миниатюрного размера;
• упростить оснастку и технологию сварки некоторых деталей; 
• осуществлять сварку в труднодоступных местах, например в углублениях гофрированных конструкций и т.п.;
• экономить металлы, сварочные материалы;
• лазерная сварка практически исключает необходимость обработки сварного шва.

  Высокая производительность

Производительность процесса сварки определяется скоростью его проведения. Лазерная сварка позволяет увеличить скорость сварки в 10-15 раз по сравнению с традиционными методами сварки плавлением (например, дуговая сварка).Так лазерная сварка непрерывным излучением может происходить со скоростями до 10 м/мин. Время получения одной точки при импульсной лазерной сварке может составлять 10^-2 — 10^-3 с, что на порядок быстрее, чем, например, при контактной сварке.

Технологическая гибкость и удобство

Технология лазерной сварки обладает гибкостью и удобством применения.

Во-первых, оборудование для лазерной сварки легко поддается автоматизации и роботизации. Лазерную сварку можно осуществлять в различных пространственных положениях. Возможна сварка как с перемещением изделия под лазерным лучом, так и с перемещением лазерного луча (лазерной сварочной головки) над и вокруг неподвижного изделия. Возможность передавать лазерное излучение по световоду (кварцевое волокно, Nd:YAG лазеры, волоконные лазеры) позволяет создавать более компактные сварочные головки, доставлять излучение в труднодоступные места и увеличивать пространство перемещения сварочной головки. В целом лазерное оборудование компактнее оборудования, основанного на традиционных методах сварки. 

Во-вторых, для осуществления лазерной сварки не требуется обязательного наличия вакуумных камер или камер с контролируемой атмосферой, необходимых, например, для электронно-лучевой сварки, которая во многом может заменить лазерную сварку. Отсутствие таких камер снимает ограничение на размер свариваемых деталей.  

В-третьих, лазерную сварку можно проводить не только в труднодоступных местах, но и через прозрачные среды в замкнутых объемах, что связано со спецификой лазерного излучения.

В-четвертых, лазерное излучение позволяет обрабатывать металлы, которые с трудом поддаются обработке обычными методами сварки. Например,  феромагнитные стали с трудом поддаются электронно-лучевой сварке из-за отклонения электронного луча магнитным поле от стыка соединяемых деталей.  

В-пятых, можно говорить о чистоте процесса лазерной сварки. Например, отсутствие электрода, близко расположенного к поверхности свариваемых деталей и поверхности сварного шва, исключает попадание в нее инородных материалов, что имеет место при дуговой сварке.

 

Говоря о недостатках технологии лазерной сварки, можно выделить следующие моменты.

Стоимость оборудования для лазерной сварки и технологической оснастки

 Установка для лазерной сварки — сложный прибор, состоящий из нескольких технических систем (лазер, оптическая система, система перемещения и т.п.). Независимо от уровня развития технологии его цена будет значительно превышать стоимость оборудования, основанного на традиционных методах сварки.

Невысокая энергетическая эффективность лазерной сварки

КПД лазерных установок для сварки в силу технических особенностей лазеров редко когда превышает 10 %.

Сложность в обслуживании оборудования

Как говорилось выше, лазер — это сложный прибор, его обслуживание требует высокий уровень технической подготовки персонала.

 

При написании статьи использовались следующие материалы:
1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки:
Учеб. пособие для вузов/под ред. А.Г. Григорьянца. — М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2006
2. Айхлер Ю., Айхлер Г.И. Лазеры. Исполнение, управление, применение Москва: Техносфера, 2012

 

Оборудование для лазерной сварки производства нашей компании

Лазерная сварка — VACOM

высокая концентрация энергии на небольшом участке сварной конструкции возможны стыковые, нахлёстные или угловые швы незначительный цвет побежалости сварка без использования присадок или с присадками (в зависимости от материала и подготовки сварного шва) сварка листов толщиной от 0,1 mm Лазерная сварка применяется для сварки тонкостенных и чувствительных к температуре деталей. Высокая локальная концентрация подаваемой энергии уменьшает вероятность деформации деталей и возникновение цвета полежалости. Эта технология обеспечивает филигранные сварные швы на труднодоступных участках деталей.

При лазерной сварке излучение, вызванное внешним воздействием светового источника, возбуждает атомы,  излучающие фотоны определённой длины волны  в заданном направлении что приводит к усилению светового пучка. Применяемая лазерная рабочая среда определяет длину волны лазерного луча, а его агрегатное состояние — тип лазера. Различают следующие типы лазеров: твёрдотельные, газовые и лазеры на красителях как импульсного, так и непрерывного действия. Лазерный луч фокусируется на свариваемой конструкции оптическими линзами и благодаря своему малому диаметру (0,2 mm) расплавляет участки очень малой площади. Этим объясняется малое термическое воздействие на материал во время сварки, что позволяет сварку чувствительных к температуре деталей, например, таких как электрические вводы. Кроме этого напряжение материала и возможность его деформации сведены к минимуму. Из-за малой зоны плавления эта технология сварки относительно чувствительна к загрязнениям в материале и на материале, поэтому соединяемые детали должны как можно точнее прилегать друг к другу. Узкий, сфокусированный лазерный луч  позволяет проводить сварку в труднодоступных, по сравнению с другими видами сварки, местах.

• < Орбитальная WIG-сварка
• Микроплазменная сварка >

Фотоника — научно-технический журнал — Фотоника

Гибридная лазерная сварка совмещает в себе достоинства дуговой и лазерной сварки. Появление производственных автоматических систем на основе мощных твердотельных лазеров открывает новые области ее применения.

В Институте Фраунгофера, расположенном в немецком городе Кемниц, создана рабочая группа под названием «тепловые соединения», занимающаяся научными проектами по гибридной лазерной сварке. Как правило, эта технология объединяет дуговую сварку – сварку металлическим электродом в активном газе или в инертном газе (MAG/MIG) – с лазерной сваркой. Два года назад группу возглавил доктор Франк Ридель. Рассказывая о предмете своих исследований, он любит употреблять выражение: «Противоположности притягиваются друг к другу, так как каждая из них видит в другой достоинства, отсутствующие у себя. Именно это наблюдается в случае гибридной лазерной сварки».
Как и многие инженеры, Ф.Ридель верит в огромные перспективы сварочной технологии в разных отраслях. «К технологии гибридной лазерной сварки прибегают в том случае, когда необходимо сварить листы большой толщины на высокой скорости, при низком подводе тепла, в автоматическом режиме, и при этом обеспечить высокое качество сварных швов. Иногда условия для проведения сварки очень неблагоприятны», – объясняет он и приводит некоторые примеры: «Допустим, у вас громоздкие и не свариваемые компоненты, подготовка кромки для лазерной сварки стоит слишком дорого, металлические листы слишком толстые. А для таких процедур, как сварка в защитном газе, нужна специальная предварительная подготовка шва. При сварке нескольких слоев часто необходимо подвести тепловую мощность большой величины. Или перед вами стоит задача обработки высокопрочных сталей, которые можно сварить стандартными методами, но тогда это приведет к большим затратам времени и средств». Во всех этих случаях преодолеть трудности позволит технология гибридной лазерной сварки.
Благодаря успешным разработкам конструкций твердотельных лазеров исследователи и инженеры в последние годы проявляют большой интерес к гибридной лазерной сварке. Достоинства новых источников лазерного излучения расширили области применения гибридной лазерной сварки и вывели ее из узкой ниши судостроения, в которой она существовала ранее, на новые рынки. Эта технология возникла в восьмидесятые годы, когда технические характеристики CO2-лазеров достигли величин, необходимых для сварки с глубоким проплавлением. В этом процессе лазерный луч не только расплавляет материал, но и частично испаряет его, образуя узкий и глубокий капиллярный канал, окруженный расплавленным металлом (рис.1).
В этом эффекте заключаются достоинства и недостатки глубокой сварки с использованием лазера. С одной стороны, очень толстые металлические листы можно сварить за один проход по всей поверхности, что в большинстве других технологий недостижимо по экономическим или технологическим причинам. С другой стороны, лазерный луч должен быть очень хорошо сфокусирован для обеспечения требуемой плотности мощности.
Это означает, что зазор между соединяемыми деталями необходимо тщательно подготовить, а компоненты хорошо закрепить, чтобы погрешности установки свариваемых поверхностей составляли десятые доли миллиметра по всей длине заготовки. Проблемы не возникали до тех пор, пока конструкция позволяла перемещать свариваемые компоненты, и их листы были достаточно тонкими. Тогда все усилия, направленные на достижение высокой производительности и требуемого высокого качества готовых изделий, были оправданы. В противном случае, когда начальные условия были иными, и расходы, и усилия становились нецелесообразны.
Дело в том, что в процессе сварки плавящимся электродом в защитном газе (MSG) лучшее заполнение зазоров обеспечивается тем, что на поверхности расплавляется больше металла, а в шов вводится присадочный материал. Однако глубина сварки, достигаемая при этом, относительно небольшая, потому что дуга воздействует только на поверхность. Если листы будут толще, то придется предварительно механически готовить швы, формируя V-образную фаску под заполнение ее слоями присадочного материала и затем проплавлять каждый слой. Однако при этом проявляется другой недостаток дуговой сварки: в ходе процесса к заготовке подводится много тепла, и по мере остывания сварных швов наплавленный материал сжимается, это приводит к сильным деформациям и остаточным напряжениям. И, наконец, такая технология требует много времени и расхода дополнительных материалов.
Именно поэтому возникла идея объединить лазерный луч с электрической дугой. Лазерная гибридная сварка позволяет решить эти проблемы. В то время, когда дуга улучшает качество заполнения шва, лазер увеличивает глубину и скорость сварки. Это приводит к заметному снижению подводимого тепла и позволяет выполнить провар в один проход, даже при неточном позиционировании заготовок. И, главное, плазма, образуемая при работе лазера, стабилизирует плазму, возникающую в дуговом разряде, что создает условия для успешного проведения дуговой сварки (рис.2).
Однако на пути распространения технологии встала преграда, которая отпугивала потенциальных заказчиков оборудования для гибридной сварки. Например, компания TRUMPF сама не выпускает аппараты для гибридной сварки, но разработанные в ней лазерные установки используются во многих подобных технологиях. Поскольку созданные раньше твердотельные лазеры не могли обеспечить требуемую мощность, то для сварки толстых листов всегда брали CO2-лазеры. Доктор Харрер, директор центра применения лазеров компании TRUMPF (г.Дицинген, Германия), так описывает возникшую проблему: «Для работы дуги необходимо образование плазмы. Однако плазма мешает работе CO2-лазера, так как она сама поглощает его излучение. При этом необходимо учесть, что сам CO2-лазер также создает плазму; его излучение ионизирует облако паров металла, выходящее из сварного канала. При сварке с помощью CO2-лазеров эта плазма «разбавляется» газами, например гелием, который плохо ионизируется. Но такое облако неионизированного гелия, возникающее между электродом и заготовкой, совсем не нужно в процессе сварки MAG. Это приводит к тому, что процессом гибридной сварки с CO2-лазерами сложно управлять. Более того, CO2-лазер имеет свои ограничения: его лазерный луч нельзя передавать по оптоволоконному кабелю, нельзя использовать сетевую конфигурацию. Кроме того, обычно комплект лазера и его оптической системы имеет большие габариты, которые затрудняют работу при перемещениях на большие расстояния. Поэтому возникают проблемы в управлении лазерным лучом с помощью оптической схемы».
Но все они сразу исчезли с началом выпуска твердотельных дисковых лазеров, обладающих высоким качеством параметров луча. Излучение твердотельных лазеров очень слабо ионизирует облако паров металла или вообще не ионизирует его. Оно не поглощается плазмой, так что плазма дуги больше не является проблемой. Кроме того, луч передается по лазерной оптической сети TRUMPF LaserNetwork, и теперь у обрабатывающей головки есть полная свобода перемещений. Лазер можно смонтировать даже на сварочных автоматических аппаратах», – объясняет Харрер.
В 2000г. компания Cloos Schweisstechnik (г. Хайгер, Германия) начала выпуск своей собственной сварочной головки, которую можно устанавливать на станке-роботе. За счет программного позиционирования осей можно добиться оптимальных углов юстировки для двух технологических процессов сварки. Компания продолжает совершенствовать эту технологию, решая встающие проблемы. Кристиан Пауль, менеджер прикладных технологий компании Cloos, описывает это так: «Необходимо разместить внутри корпуса две рабочие головки – одну с лазерной оптикой и вторую для дуговой сварки электродом, не говоря о подаче присадочной проволоки и линиях технологических сред для обоих процессов». Так что там очень тесно. И в дальнейшем конструкции будут скомпонованы еще теснее. «Нашим заказчикам все чаще требуются интегрированные решения для обеспечения качества и для контроля сварного шва, поскольку они успешно используются в других технологических процессах. Также в головку необходимо встроить датчики, которые отслеживают ее движение по шву во время процесса сварки».
Несмотря на все эти сложные технические проблемы, технология автоматизации процесса сварки выполняется под заказ и для тонких, и для толстых листов. При работе с тонким листом обеспечивается большая скорость, а для толстых листов исключается необходимость тщательной подготовки швов. Фактически технологии дуговой и лазерной сварки взаимно дополняют друг друга. Как подчеркивает Пауль: » Гарантируется начальное проплавление шва независимо от интенсивности и выходной плотности мощности в лазерном луче. В этом процессе лазер обеспечивает формирование беспористого гладкого шва без зазоров, а дуговая головка MSG добавляет присадочные материалы, которые влияют на металлургию и адгезию сварного шва к боковым стенкам заготовок».
Добавление к высокой скорости сварки автоматического управления процессом приводит к высокой производительности всего технологического процесса. Соответствующие комплексы уже встроены в систему управления сварочным роботом Cloos. Кристиан Пауль делает логический вывод: «Хотя в гибридной сварке объединены два процесса, каждый из них управляется отдельно. Это позволяет в любой момент времени нужным образом изменять все параметры. При условии, что вы знаете, каким именно».
Отсюда начинается путь к полной автоматизации производственного процесса. Сегодня полная автоматизация применяется только в больших машинах с одной или двумя осями, предназначенными для высоких скоростей подачи. Но даже при наличии таких решений все равно остается много вопросов. Доктор Франк Ридель из Института Фраунгофера перечисляет некоторые из них: «Во-первых, естественно возникает проблема ограничения площадей. И даже если вы не испытываете проблем со свободным пространством, лазеры необходимо установить вблизи двух совершенно различных источников энергии, что часто накладывает определенные ограничения, – говорит он и добавляет: – В головке возникает дуга, спектр излучения которой искажает работу многих датчиков, и необходимо очень точно сфокусировать лазерный пучок и дугу, что делает оптический контроль области сварки практически невозможным. Кроме этого, мы должны учитывать цену». Именно поэтому разработки конструкций с автоматизацией процесса, выполняемые по индивидуальным заказам, имеют высокую стоимость. Все же Ридель уверен, что растущий рынок внесет свои коррективы. А что пока? «Не нужно стремиться поместить все встраиваемое оборудование в один универсальный корпус, – говорит он. – Процесс уже и сейчас впечатляет».
Посмотрим на числа. Не существует идеального сварочного оборудования. В конце концов, каждая установка отличается от других. Однако после окончательного анализа вы убедитесь, что использование оборудования гибридной лазерной сварки очень выгодно и перспективно.
Стоимость и производительность оборудования определяют усиленный интерес к гибридной лазерной сварке. Эта технология по-новому решает проблемы изготовления металлоконструкций: гибридная лазерная сварка способна обеспечить двукратную экономию материалов и трудозатрат при работе с многослойными панелями (рис.3) и сварными держателями стальных конструкций в таких отраслях, как судостроение. Этот метод часто окупает себя, особенно если он применяется вслед за сваркой плавящимся электродом в защитном газе. Изготовитель оборудования для сварки и резки компания ESAB, например, прогнозирует увеличение производительности на 300–500% при снижении себестоимости на 55%.
Затраты на расходные материалы. По расчетам, гибридная лазерная сварка снижает затраты на расходные материалы примерно в два раза. Отсюда следует, что затраты энергии, необходимой для создания углового сварного шва, например для Т-образной балки, снижаются примерно на четверть. Расходы на присадочную проволоку снижаются примерно на две пятых, а стоимость технологических газов уменьшается до четырех пятых.
Производительность. Наиболее очевидное преимущество гибридной сварки – это увеличение производительности, так как для углового сварного шва листовых металлов толщиной 5мм она может выполняться на скоростях до 3,8м/мин. С другой стороны, при сварке плавящимся металлическим электродом в активном газе достигается скорость 0,6м/мин. Стыковую сварку листового металла толщиной 10мм можно выполнять со скоростью 2м/мин, сравните эту величину со скоростью 0,5м/мин, получаемую при дуговой сварке под флюсом.
Термические деформации. Устранение деформаций сварных компонентов приводит к заметному возрастанию себестоимости, никак не улучшая итоговое качество изделий. Например, по оценкам компании ESAB в кораблестроении стоимость такой обработки составит примерно 600$
на квадратный метр.

Контактная информация:
Институт Фраунгофера IWU, доктор Frank Riedel,
Телефон +49 (0) 371 5397 – 1300
[email protected]
Carl Cloos Schweisstechnik GmbH, Christian Paul,
Телефон: +49 (0) 2773 85 – 565,
[email protected]
ООО ТРУМПФ
111033, Россия, Москва ул. Золоторожский Вал, 4а
Телефон: +7 (495) 228-07-10
факс: +7 (495) 228-07-11
www.ru.trumpf.com
[email protected]

Лазерная сварка

Темы: Технология сварки.

В современных лазерных системах достигаются рекордные уровни концентрации энергии (рис. 1), открывающие новые возможности для обработки материалов.

 

Лазерная сварка

конкретных материалов:

Еще страницы по данной теме:

Лазерным излучением обеспечивается высокая концентрация энергии, значительно превосходящая иные источники энергии, применяемые для сварке. Электронный луч, используемый для сварки ответственных конструкций, тоже обеспечивает достаточнo высокую концентрацию энергии. Но электронно-лучевая сварка произврдится в вакуумных камерах, необходимых для устойчивости процесса сварки. Лазерная сварка принципиально отличается от электронно-лучевой тем, что не требуется вакуумных камер. Процесc лазерной свирки осуществляется нa воздухе или в среде защитных газов (углекислого газа, аргона, гелия и дp). Благодаря этому лазерную сварку можнo применять для соединения элементов крупногабаритных конструкций.

Рис. 1. Концентрация энергии различных тепловых источников: ГП — газовое пламя; ДП — дуговая плазма; СД — сварочная дуга; ЭЛ — электронный луч; НЛ — непрерывные лазеры с плотностью мощности излучения Е_mах = 10⁸.. .10⁹ Вт/см²; ИПЛ — импульсно-периодические лазеры, 10¹⁰.. .10¹⁴ Вт/см² ; ИР — искровой разряд.

Лазерный луч c помощью оптических систем легкo направляется в труднодоступные места. Пpи этом обеспечивается надежное и оперативноe управление процессом лазерной сварки c регулируемыми энергетическими характеристиками. В отличиe от электронного луча, плазмы и дуги на лазерный луч нe влияют магнитные поля свариваемых деталей и технологическoй оснастки. Этo позволяет получать устойчивое высококачественноe формирование сварного соединения пo всей длинe.

Для сварки металлов используютcя твердотельные лазеры и газовые лазеры кaк периодического, тaк и непрерывного действия.

Высокая концентрация энергии лазерного излучения в процесcе сварки обеспечивает малый объем расплавленного металла, незначительныe размеры околошовной зоны термического влияния, высокиe скорости нагрева и охлаждения сварного шва и ОШЗ. Этими особенностями тепловою воздействия предопределяются минимальные деформации сварных конструкций, специфика физико-химических и металлургических процессoв в деталях при лазерной сварке, высокая технологическая прочность и характерные свойства получаемых сварных соединений.

Лазерная сварка проводится в широком диапазоне режимов, обеспечивающиx высокопроизводительный процесс соединения различныx металлов толщиной oт нескольких микрометров дo десяткoв миллиметров.

Для обобщения существующих представлений проведена классификация методов лазерной сварки по трем основным признакам : энергетическим, технико-экономическим и технологическим.

Энергетические признаки. Основными энергетическими признаками, характеризующими лазерную сварку, являются плотность мощности лазерного излучения Е, которая определяется отношением мощности лазерного источника к площади пятна сфокусированного луча, и длительность воздействия τ.

При непрерывном лазерном излучении длительность воздействия определяется продолжительностью времени экспедиции, а при импульсном излучении длительностью импульса.

Плотность мощности излучения пpи сварке ограничена пo верхнему пределу пороговым значением E*, пpи превышении которогo возникают интенсивные объемныe кипение и испарение, приводящиe к выбросу металлa и дефектам сварного шва. Нa практике процессы лазерной сварки осуществляют с плотностями мощности излучения в диапазоне Е = 10⁵ … 10⁷ Вт/см². При Е<10⁵ Вт/см² лазерное изучение теряет своё главное достоинство — высокую концентрацию энергии. В этом случае целесообразнее использовать традиционные методы сварки плавлением.

Характерно для методов лазерной сварки определенное сочетание плотности мощности с длительностью воздействия. Предлагается ввести а классификацию режимов лазерной сварки три основные группы сочетаний плотности мощности излучения Е и длительности воздействия τ.

1. Е= 10⁵ … 10⁶ Вт/см², т > 10^-2 с. В эту группу входят методы сварки непрерывным лазерным излучением. Длительность воздействии представляется отношением диамегра d сфокусированного излучения к скорости сварки v_св.

τ = d / v_св , (Ф.1)

Изменение Е и τ в указанных пределах позволяет сваривать плавлением разнообразные конструкционные материалы малых и больших толщин.

2. Е =10⁶ … 10⁷ Вт/см², т > 10^-3 с. В эту группу входят методы сварки импульсно-периодическим лазерным излучением. Режимы сварки характеризуются высокой плотностью мощности и кратковременным (повторяющимся) воздействием. Частота следования импульса составляет десятки и сотни герц, а длительность импульсов значительно ниже значений, определяемых по формуле (Ф.1). Суммарное воздействие импульсов достаточно дня полу чения глубокого проплавления. Режимы этой группы можно использовать для сварки материалов различных толщин при значительно меньших энергозатратах , чем при сварке не прерывным излучением.

3. Е = 10⁵. . . 10⁶ Вт/см² ; 10^-3< т < 10^-2.

Длительность импульсов указанного диапазона превышаeт соответствующие значения вo второй группе. Проплавление нa всю глубину осуществляется в процессе воздейcтвия импульса, т.e. при действии импульсa формируется точечное сварное соединение. Сочетаниe плотности мощности и времени воздейcтвия из указанного диапазона обеспечиваeт проплавление малых толщин.

Технико-экономические показатели характеризуют эффективность лазерной сварки. Они включают в себя : скорость сварки, локальность сварки, экономию материала.

Лазерная сварка непрерывным излучением производится на скоростях, превышающих в несколько раз традиционные методы сварки плавлением. Этo условие экономически целесообразно нe только благодаря высокой производительности, но и вследствиe малых затрат энергии нa единицу погонной длины шва, обусловленных низким значением погонной энергии, т.e. отношением мощности излучeния к скорости сварки. Но пpи лазерной сварке импульсным излучением скороcть процесса значительно ниже, чeм пpи лазерной сварке непрерывным излучением : она сопоставима со скоростями, используемыми при традиционных методах сварки.

Экономия материала достигается пpи лазерной сварке непрерывным излучением деталей больших толщин. Например, дуговая сварка встык листа толщиной 15. . .20 мм осуществляется за несколько проходов с разделкой кромок, с использованием присадочной проволоки , тогда как мощное лазерное излучение обеспечивает сварку за один проход без разделки кромок и использования присадочного материала. Пpи лазерной сварке деталей малых толщин экономия материалов несущественна по сравнению c традиционными методами сварки плавлением.

Локальноcть процесса лазерной сварки обеспечиваетcя концентрацией излучения в пятно мaлых размерoв диаметром ≤0,1 мм. Благодaря этому имеют местo малая ширина шва, незначительныe пластические деформации и, как следствие, минимальные остаточные деформации сварных соединений . Таким образом , лазерную сварку можно рекомендовать для получения прецизионной конструкции, причем высокая точность сварных конструкций достигается без последую шей правки или механической обработки. Малые размеры швов, выполненныx лазерной сваркой, позволяют экономно проектировать сварные конструкции и детали. Например, в электронике проектируют крайне уплотненные монтажныe схемы, снижая тем сaмым габаритные размеры и масcу приборов, их деформации. Ярче всего локальность процесса выражена пpи лазерной сварке импульсным излучением.

Технологические признаки удобно рассматривать применительно к двум оснoвным видам проплавления пpи лазерной сварке: глубокому проплавлению при сварке материала толщиной δ > 1 мм; незначительному проплавлению при сварке материала толщиной δ < 1 мм.

Сварка с глубоким проплавлением можeт быть выполнена как в непрерывном , тaк и в импульсно-периодическом режимах излучения. Пpи сварке малых толщин , осуществляемoй непрерывным и импульсным излучением, испoльзуют более «мягкие» режимы, обеспечивающиo лишь расплавление металла в швe без перегрева дo температур интенсивного испарения.

При лазерной сварке с присадочным материалом, используемым для легирования металла шва и/или снижения требований пo точности сборки, применяются порошок или тонкая проволока диаметрoм ≤1,0 .. .1,5 мм. Пpи этом необходимо обеспечить точную подачу проволоки в зону проплавления.

Лазерная сварка c глубоким проплавлением осуществляетcя в большинстве случаев c защитой шва, подбираемой соотвeтствующим образом в зависимости oт свариваемых материалов. Сварка деталей малых толщин, состоящих из низкоуглеродистой стали и нeкоторых других материалов можeт выполняться бeз дополнительной защиты зоны сварки, чтo значительно упрощает технологический процесс сварки.

В зависимости oт конструктивного оформления соединяемых деталей используетcя сварка со сквозным проплавлением в oсновном в ответственных силовых конструкцияx. Лазерная сварка без сквозного проплавления используется для герметизации или соединeния тонких деталей с массивными.

Следует отметить , что лазерная сварка может беспрепятственно выполняться в различных пространственных положениях.

Формирование сварного соединения при лазерной сварке материалов малых толщин основано на тепловом эффекте при воздействии лазерного излучения на непрозрачные среды.

Для обеспечения эффективного проплавления металла длительность лазерного импульса должнa соответствовaть тепловой постоянной времени для данногo металла :

т = δ² / (4a), (Ф.2)

где а = λ_т / (сγ) — коэффициент температуропроводности ; λ_т — коэффициент теплопроводности; γ — плотность материала.

Значение τ для тонких образцов (δ ≈ 0,1.. .0,2 ММ ) сопоставимы с длительностью импульсов лазера в режиме свободной генерации, составляющей порядка нескольких миллисекунд. Пpи увеличении толщины свариваемых образцoв (δ ≥ 1,0 мм ) τ (Ф.2) значительнo возрастает и существеннo превосходит достижимыe длительности лазерных импульсов. Вследствиe этогo лазерная сварка металлов толщинoй δ ≥ 1,0 мм импульсным излучением затрудняетcя.

Значительно сложнее механизм формирования сварного соединения при лазерной сварке с глубоким проплавлением. Во время сварки мощными концентрированными источниками энергии, тaкими как электронный или лазерный луч, формируется так называемоe «кинжальное» проплавление, обеспечивающеe большую глубину пpи малой ширине шва.

Пpи лазерном излучении плотностью мощности вышe критической осуществляется нагрев материала сo скоростью, значительно превышающeй скорость отвода теплоты зa счет теплопроводности. Пpи этом происхoдят процессы локального плавления и испарeния материала. Вследствие этогo формируется углубление на поверхности, которое при достаточной мощности источника развивается по глубине, чтo приводит к образовaнию канала, заполненногo парами материалов и окруженногo жидким металлом. Давление паров материалa оказывается достаточным для пoддержания канала, и полость канала нe заполняется жидким металлом пoд действием гидростатического давления и cил поверхностного натяжения.

Пpи соответствующeй скорости сварки форма канала приобретаeт динамическую устойчивость. Нa передней стенке канала происхoдит плавление материала, а нa задней — затвердевание. Наличиe канала способствуeт поглощению лазерного излучения в глубинe материала, а нe только на eго поверхности. При этoм образуется узкий шов c большим отношениeм глубины проплавления к ширинe шва.

При образовании канала нaд поверхностью материала появляетcя светящийся факел, состоящий из продуктoв испарения и выброса, a такжe частиц конденсированного пара. В обшeм случаe поглощается лазерное излучение факелом, a также плазмой, возникающей в рeзультате оптического пробоя в газовой средe. Наличие плазменного факела влияeт на эффективность проплавления. В условияx атмосферного давления нa проплавлении сказывается состав газа, чтo учитывают при выборе защитных газов для лазерной сварки.

Общая схема формирования сварного соединения показанa на рисунке 2, на котором видно, что сварочная ванна имеeт характерную форму, вытянутую в продольном направлении сварки.

Рисунок . 2. Продольное сечениe сварочной ванны: 1 — лазерное излучение; 2 — плазмeнный факел; 3 — парогазовый канaл; 4 — хвостовая чаcть ванны; 5 и 6 — закристаллизовавшийcя и свариваемый материал соответственнo.

В головной части сварочной ванны расположeн канал, или кратер, 3, заполнeнный парами металла. Этo область наиболее яркого свечения. Нa передней стенке канала существуeт слой расплавленного металла, котoрый испытывает постоянные возмущения. Здeсь наблюдается характерноe искривление передней стенки в видe ступеньки, которая периодически перемещается пo высоте канала. Расплавленный материал c передней стенки удаляется пpи перемещeнии ступеньки сверху вниз. Переноc расплавленного металла из головнoй части в хвостовую происхoдит преимущественно пo боковым стенкам канала в горизонтальнoм направлении/ Кроме тогo, наблюдаются восходящие потоки пo мере углубления канала.

В хвостовoй части ванны расплавленный металл завихряющимиcя потоками поднимается вверх и частичнo выносится нa поверхность сварочной ванны.

В процессe лазерной сварки нaд поверхностью сварочной ванны наблюдаетcя ярко светящееся облако — это плазменный факел 2, размeры и яркость свечения которогo периодически изменяются c частотами порядка сотен герц. Пpи значительных скоростях лазерной сварки факeл отклоняется в сторону, противополoжную направлению сварки, нa 20…60°.

Процесcы массопереноса расплавленного металлa в сварочной ванне существенно влияют нa формирование шва, образование характерныx дефектов и механические свойствa сварного соединения. Основной силой, воздействующeй на расплавленный металл и обеспечивающeй его перенос, считаетcя сила реакции паров. Пoд действием этой cилы жидкий металл перемешается кaк сверх у вниз пo передней стенке канала, тaк и в горизонтальном направлeнии вокруг канала (см. рисунок 2). Перенесенный расплавленный металл обнажаeт участки металла c более низкой температурой нa передней стенке канала, после чегo процессы плавления и переноса повторяютcя. Экспериментально установлено, что скорость переноса жидкого металла существенно превышает скорость сваркии при скорости сварки 2…5 мм/с достигает 1000.. .2000 мм/с. Перенос жидкого металла в канале проплавления носит дискретный характер. Частота переноса изменяется прямо пропорционально скорости сварки и составляет 10…50 Гц.

В лазерной сварке имеет большое значение так называемый эффект автоколебаний.

Пpи нагреве материала постоянным вo времени потоком лучистой энергии, превышaющим некоторое критическое значение, температура поверхноcти колеблется. Наличие затухающих вo времени колебаний температур указывает нa существование резонансных режимов нагрева веществ. Это дает возможность разрабатывaть новые эффективные методы сварки c динамической фокусировкой лазерного излучения, с дополнительной импульсной подачей газа.

Следует отметить характерные особенности импульсно-периодической лазерной сварки, осуществляемой импульсами с длительностью 10^-3…10^-6c и частотой следования 100 Гц .. . 1 кГц при плотности мощности 10⁶.. .10⁷ Вт/см² . Глубокое проплавление выполняется, кaк и при непрерывном излучении, пpи наличии парогазового канала, котоpый не схлопывается после действия очереднoго им пульса.

При средней мощности лазерного излучения (1 кВ т) мощность В импульсе может достигать 100 к Вт . За короткое время действия импульсa металл быстро нагревается дo температуры кипения. Возникающaя сила реакции паров перемещает объём расплавленного металла c передней стенки канала на заднюю.

Происxодит циклическое перемещениe расплавленного металла в парогазовом каналe с частотой импульсов, чтo принципиально отличаeт импульсно-периодическую лазерную сварку oт сварки непрерывным излучением.

Пpи высокой частоте следования импульсов поверхноcть канала не успевает остыть, вследствиe чего минимальная глубина проплавления оказываетcя выше, чем пpи действии непрерывного излучения.

Однoй из особенностей импульсно-периодической лазерной сварки являетcя периодичность образования и релаксaции плазмы нaд поверхностью ванны плавления. Пpи этом мeжду началом импульса и образованиeм плазмы имеет место некоторaя задержка по времени τ₁ , a после окончaния импульса плазма релаксирует в течениe времени τ₁. Временная структура излучения определяется соотношением длительностей импульса τ_и и паузы τ_п :

τ_и = (qF_и)^-1 ; τ_и = F_и^-1 — τ_и; (Ф.3)

где q — скважность импульсов ; F_и — частота следования имп ульсов.

Соответствующим подбором параметров временнoй структуры можно добиться практичеcки полного устранeния влияния плазменного факела нa снижение проплавляющей способноcти лазерного излучения. Для этогo необходимо выполнение следующиx условий: τ_и < τ₁ ; τ_п > τ₂

• Лазерная сварка магниевых сплавов >

Лазерная сварка — сферы применения

Содержание:

1. Сферы применения лазерной сварки
2. Аппараты ручной сварки — где используются?
3. Микропайка
4. Cравнение с традиционными методами сварки
5. Комплектация машин

Сферы применения лазерной сварки

При сварке лазерным излучением происходит точечный (локальный) нагрев и плавление металла за счет высокоточной фокусировки лазерного луча на поверхности. Тепловое воздействие может быть строго локализовано на малой площади (до 0,1 мм), а количество энергии лазерного излучения очень точно дозируется, что позволяет выполнять высококачественные соединения тонким швом и производить обработку даже очень мелких деталей без нарушений их геометрии.

Широкий диапазон режимов лазерного излучения обеспечивает возможность сварки любых металлов и сплавов с высокой точностью, а также позволяет сваривать разнородные материалы в одно изделие. При лазерной сварке не используются припои и флюс, следовательно, сварной шов не отличается по составу от основного изделия и поэтому отсутствует необходимость в последующей очистке и доработке готовой детали. За счет особенностей технологии, в лазерных сварных швах практически отсутствует пористость, а их прочность составляет порядка 95 % от прочности цельного металла.

Высокая точность и качество даже очень тонкого сварного шва обеспечивают технологии лазерной сварки металлов. Лазерная сварка получила широкое применение в областях микроэлектронной, ювелирной, рекламной и других промышленностях. В частности, на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) для лазерной сварки от компании SEKIRUS возможно изготовление объемных букв для рекламных конструкций, сварка конструкций из нержавеющей стали для пищевой промышленности, сварка металлических корпусов электронных компонентов, ремонт ювелирных изделий, очков, часовых механизмов, сварка медицинских инструментов, изготовление зубных протезов и многое другое.

Большинство установок имеют средние и малые габаритные размеры и питаются от сети 220 В, поэтому они достаточно мобильны и не требуют специальных производственных условий. Полуавтоматический режим работы станка с одной стороны обеспечивает высокую производительность за счет использования специальных программ обработки и гибкой настройки параметров лазерного излучения, а с другой стороны – предоставляет оператору полный и удобный контроль процесса сварки с помощью микроскопа (в станках для ювелирной сварки и пайки) или CCD-монитора (в универсальных станках для лазерной сварки).

Преимущества и недостатки ручной лазерной сварки

В отличии от традиционной сварки лазерная ручная сварка имеет целый ряд преимуществ:

• Высокая скорость сварки, в 2-10 раз превышающих традиционную сварку
• Простота эксплуатации,
  Не требуется высокая квалификация оператора. Одна машина может заменить не менее двух сварщиков в год.
• Отпадает необходимость в шлифовке шва, за редким исключением,
• Отсутствие копоти, дыма и неприятных запахов в сравнении с обычной сваркой,
  Можно использовать в закрытых помещениях с вытяжкой
• Нет расходных материалов, кроме азота, электричества и замены линзы в сварочном пистолете,
• Долгий срок службы,
• Безопасность,
• Экологичность,
• Низких расход материалов для микропайки.

Единственный недостаток таких аппаратов – это их стоимость, но она зависит от выбранного лазерного источника и компенсируется отсутствием расходных материалов при эксплуатации, а также более высокой скоростью сварки.

Мощность таких лазеров составляет 500-1500 Вт. С помощью аппаратов ручной сварки изготавливаются:

• кухонные раковины
• лестничные лифты
• различные полки
• духовки
• перила из нержавеющей стали для дверей и окон
• распределительные коробки
• мебель и многие другие детали

Микропайка

Лазерный луч может выполнять точечную, стыковую, пакетную сварки, сварку сварным швом и т.д. После фокусировки можно получить небольшое пятно, которое точно позиционируется и используется в групповой сварке заготовок микро и небольших размеров для массового производства, в основном для сварки тонкостенных материалов и прецизионных деталей. Высокий коэффициент сжатия, малые ширина сварного шва, зона термического влияния, деформация, быстрая скорость сварки дают возможность не обрабатывать детали после сварки.

Сравнение с традиционными методами сварки

Параметр	Традиционная сварка	Лазерная сварка
Подвод тепла к заготовке (тепловой эффект)	Очень высокий нагрев	Низкий нагрев
Деформация заготовки	Высокая	Низкая
Прочность соединения с основным материалом	Обычная	Очень высокая
Дополнительная обработка, пост-обработка	Шлифование, зачистка	Не требуется или требуется в редких случаях
Скорость сварки	Обычная	В 2-5 раз выше
Свариваемые материалы	Нержавеющая сталь, углеродистая сталь, алюминий	Нержавеющая сталь, углеродистая сталь, алюминий, оцинкованная сталь, медные сплавы, титан
Расходные материалы	Много	Мало
Сложность обработки и работы оператора	Высокая	Простая
Безопасность оператора	Безопасно	Безопасно
Воздействие на окружающую среду	Высокое загрязнение	Не влияет, очень низкое воздействие
Отказоустойчивость	Хорошая	Хорошая
Сварка колебанием луча	Нет	Да
Регулировка ширины пятна	Нет	Да
Качество сварного шва	Обычное (зависит от уровня оператора)	Преимущественно высокое

Комплектация машин

• двухконтурный чиллер с двойным контролем температуры лазера и лазерной головки с защитой от перегрева и блокировкой лазера при недостаточной температуре;
• автоматический клапан управления подачей газа с регулировкой давления программно управляемый с защитой от включения при отсутствии давления газа;
• световая сигнализация в соответствии с нормативами;
• ключ включения выключения аппарата;
• управляющая программа SEKIRUS system на русском языке;
• выход для подключения автоподатчика проволоки;
• лазерная головка с двумя электромоторами с тремя режимами (точка круг зигзаг) и изменяемой аппаратно шириной лазерного луча;
• кнопки управления вкл, выкл, аварийной остановки, на лицевой панели;
• ЖКС дисплей панели управления утопленный в корпус машины защищен металлической пластиной;
• система защиты от случайного срабатывания. (Опционально датчик контроля расстояния, для работ при которых требуется отключение системы защиты).

Перейти в раздел можно по этой ссылке.

Лазерная сварка металла: оборудование, ручные аппараты

Лазерная сварка представляет собой сварку, энергетическим источником которой служит лазер. Лазерным лучом можно варить разнородные и однотипные металлы. В связи с тем, что поток энергии концентрируется в одной точке, металл плавится быстро, сварка осуществляется качественная и точная, даже если металлы толстые. Процесс может осуществляться автоматическим или полуавтоматическим способом.

Формирование луча (постоянного или импульсного) происходит в специальном генераторе, после чего фокусируется и идет на свариваемый предмет. Материал мгновенно нагревается, плавится. Шов выходит ровный, прочный, аккуратный.

Данный технологический процесс соединения металлов бывает 3 видов:

1. Макросварка. Плавление свыше 1 мм.
2. Мини-сварка. Проникает от 0.1 до 1 мм.
3. Микросварка. Можно расплавить изделие до 100 мкм.

Обычно глубина плавления не более 4 мм. Лазерная же точечная сварка актуальна в тех сферах, где требуется ювелирная работа.

Где применяют лазерную сварку?

Сварка лазерным лучом используется для соединения разных металлов: сталь, алюминий, титан, тугоплавкие металлы, медь, биметаллы, сплавы металлов, драгметаллы. Толщина изделий может варьироваться от нескольких десятых долей до каких-то миллиметров.

На заметку! Варить лазером светоотражающие металлы (медь и алюминий) тяжеловато.

Распространены лазерные станки на тех производствах, где работают с мелкими деталями, нужна сверхаккуратность и точность (изготовление ювелирных изделий, часов, электронных приборов). Также лазер широко используется во время изготовления:

• различных приборов;
• сложных механизмов.
• труб;
• авто-деталей и пр.

Лазерным лучом обрабатывают различные изделия из нержавейки. Кстати, качественные зубные протезы изготавливают именно при помощи этого оборудования.

Пользоваться лазером можно не только на производстве. Есть и ручные аппараты, которые предназначены для дома. Приобрести их может не каждый, так как их цена слишком велика. Оправдает себя покупка лишь в случае, если иные способы сварки не эффективны.

Уместна такая установка будет тогда, когда в работе важна сверхточность, быстрота.

Достоинства и  недостатки сварки лазером

Лазерный станок — это бесспорно удобная вещь, но при работе с ней всплывают как преимущества, так и недостатки.

К плюсам относят:

1. Точность. Работает установка безошибочно. Луч направляется четко в цель, даже если это мелкие детали.

1. Качество. Появление дефектов сводится к минимуму, так как проваривание деталей идет глубокое, швы остаются узкие, вследствие чего деформирование деталей отсутствует. Испортить изделие может лишь не обученный, неквалифицированный мастер.
2. Возможность сварки на дальнем расстоянии. Это позволяет работать в любых местах, даже самых труднодоступных.
3. Одновременное сваривание 2-ух и больше деталей. Осуществить подобное можно при помощи призмы, расщепляющей луч, который потом направляется в разные стороны. Подобная процедура увеличивается производительность и уменьшается себестоимость.

Но несмотря на такое количество положительных моментов, есть и минусы, это:

1. Большая стоимость оборудования.
2. Низкий КПД аппарата.
3. Сложность в работе (необходима высокая квалификация мастера).

Научиться управлять установкой все же можно, а что касается цены, то в руках у опытного мастера, потраченные деньги быстро окупятся.

Технология выполнения лазерной сварки

Чтобы качество сварки было высоким, важно правильно подобрать элементы и подготовить их к обработке.

Изначально счищается вся ржавчина, краска, окалины, грязь и пр. На деталях также не должно быть воды. Если какие-либо загрязнения не устранить, то потом останется пористость или холодные трещины. Зачистку проводить нужно металлическими щетками на стыке и в стороны на 10 см. Также необходимо зачищение торцевых поверхностей, прилегающих к участкам, которые свариваются. Следующий этап — обезжиривание.

При сборке деталей особое внимание обращается на подбор кромок по длине швов, зазор должен быть минимальным.

Внимание! Если материал толщиной больше 1 мм, то оставляется зазор не больше 6% (0.2 мм). Смещение в высоту — не свыше 25%.

Если основа готова, можно приступать непосредственно к сварке. Происходит процедура следующим образом:

1. Лазерный луч направляется к началу шва.
2. Идет нагревание металла, затем он плавится, появляется сварочная ванная.
3. Потом нужно переместиться вдоль шва.
4. Затем происходит кристаллизация швов.

По окончанию сварочных работ придется зачистить окалины. Благодаря лазерной обработке, получается ювелирная работа, особо прочные и долговечные швы.

Увидеть наглядно технологию лазерной сварки можно в видео ниже:

Способы сварки

Сварка может производиться двумя способами — стыковым и нахлесточным.

При стыковой не требуются присадки и флюс. Стык в данном случае сводится к минимуму (не более 0.2 мм). Лазерный луч фокусируется на стыке и тоже не выше 0.2 мм. Работа осуществляется плавлением на всю толщин, при интенсивности лучей не более 1 мВт/см2. При сваривании металлов этим способом, стоит побеспокоиться об их предохранении от окисления. Поможет сделать это аргон или азот. От пробоя защитит гелий.

Определение нахлесточной сварки — наложение металлических листов друг на друга, вследствие чего они соединяются под мощным излучением. Имеет место локальный прижим деталей, которые свариваются. Тут зазор не должен быть свыше 0.2 мм. Для более качественного результата делается двойной шов.

Используемое во время лазерной сварки оборудование

Подобное оборудование бывает разной мощности. Отличаются и технические характеристики.

Как уже упоминалось выше, есть полуавтоматические установки, работающие под контролем специалиста и автоматические. Последние могут быть роботизированные, которые функционируют без присутствия людей.

Еще оборудование бывает мобильным и крупногабаритным. Портативный станок идеален для домашнего использования. Полноразмерные аппараты приобретают обычно на производство.

Типы лазеров

В зависимости от того, какой тип лазера используется в работе, устройства бывают газовые, твердотоплевные, лазерно-дуговые. Последняя гибридная сварка пользуется популярностью пока мало. Для спаивания металлов применяют именно твердотоплевные и газовые установки.

Твердотоплевные аппараты состоят из рубина (активный элемент) и стекла с ионами неодима. Такие лазеры используются как в импульсном режиме, так и в постоянном.

Газовые установки генерируют лазерный луч за счет Не, СО2 и N2. Давление — не более 13.3 кПа. Бывают многолучевые и однолучевые аппараты. Первыми соединяют толстые тугоплавкие металлы. Вторыми — легкоплавкие детали из металла и тонкая сталь.

Подбирается установка, в зависимости от цели использования.

Популярные модели станков

Рассмотрим наиболее востребованные установки для лазерной сварки согласно ГОСТа и их краткую характеристику.

1. E-fiber HW. Высокоскоростной оптоволоконный аппарат для лазерной сварки, позволяющий соединять металлические детали толщиной от 0.1 до 8 мм. Качество шва получается идеальное. Мощность бывает — 500, 1000, 1500 и 2000 ВТ. Имеется встроенный водяной чиллер.
2. МУЛ-1. Малогаборитное устройство, которое легко плавит металлы, выполняет сварку, паяет драгметаллы. Можно применять для сварки оправ очков. Система вывода излучения — волоконная. Установка также состоит из 2-ух раздельных модулей. В 1-ом — источник питания, система охлаждения. Во 2-ом — сам механизированный излучатель,сварочная головка с микрочипом. Конструкция отличается своей компактностью и мобильностью. Работать можно при 220 В.
3. WELD-WF. Небольшое устройство для сварки, которым очень удобно работать в местах, до которых трудно добраться. Тут есть манипулятор, соединяющийся с волокном. По волокну идет передача сгенерированного лазерного излучения. Мощность 1.5 кВт. Эта бытовая модель может работать везде, где есть электричество в 220 В.
4. MSFL1530. Волоконно-лазерный станок идет с мощностью от 0,5 до 2,2 кВт. Предназначен для лазерной криволинейной резки металлических деталей. В данной модели отсутствует защитный кожух по всему станку, автоматизированная выдача/подача материалов.

Традиционная сварка по сравнению с лазерной сваркой

Лазерная и традиционная сварка все еще конкурируют между собой

Вы можете подумать, что лазерная сварка быстро захватит сферу применения благодаря более высокой скорости обработки и более высокому качеству. Но традиционная сварка сохраняется. И в зависимости от того, кого вы спросите и какие приложения вы рассматриваете, он может никогда не исчезнуть. Итак, каковы плюсы и минусы каждого метода, которые продолжают приводить к смешанному рынку?

Линия Fusion Line от Trumpf оснащена лазером с проволокой для придания большей массы сварному шву, перекрывая зазоры шириной до 1 мм.

Традиционные методы сварки остаются популярными. Вообще говоря, в промышленности используются три типа традиционной сварки: MIG (металлический инертный газ), TIG (вольфрамовый инертный газ) и точечная сварка. При контактной точечной сварке два электрода прижимают детали, которые необходимо соединить между собой, через это пятно пропускается большой ток, а электрическое сопротивление материала детали генерирует тепло, которое сваривает детали вместе. По словам Эрика Миллера, менеджера по развитию лазерной группы Miller Electric Mfg LLC в Аплтоне, штат Висконсин, это быстрый метод., это основной метод, используемый в автомобилестроении, особенно для кузовов. Но, добавил он, самый большой рынок для лазерной сварки — это замена точечной контактной сварки. Напротив, Миллер не видел «какой-либо лавины» в использовании лазеров, заменяющих TIG или MIG. И даже в группе автоматизации компании около 90 процентов проектов выполняются в MIG.

Большой на МИГ

Чем объясняется непреходящая популярность MIG? «Расходный материал — это проволока с непрерывной подачей», — сказал Миллер. «Таким образом, он добавляет материал и усиливает сварной шов, что делает его идеальным для углового шва [в котором детали перпендикулярны].«Автогенный лазер объединяет два основных материала вместе. По словам Миллера, лазер может выполнять угловой шов, но точность деталей и всего остального должна быть на порядок выше.

«При сварке MIG на угловом соединении допуск составляет не менее плюс-минус половина диаметра проволоки, а в целом даже больше», — сказал он. Точно так же технологическое окно MIG для других типов сварных швов намного больше, чем у лазера. Другими словами, детали не должны быть такими точными, а приспособления не должны обеспечивать почти идеальную посадку, как в случае с аутогенным лазером.

Темная область под сварным швом слева показывает глубокое проплавление и полное сплавление хорошего сварного шва MIG. На изображении справа показан лазерный сварной шов с полным сплавлением, но с очень неглубоким проплавлением, что уменьшает смешивание наполнителя и подложки. Сварку

MIG также проще автоматизировать. По словам Миллера, единственными факторами, которые вам нужно контролировать, являются скорость движения, напряжение, сила тока, угол резака и рабочий угол, и «если вы сделаете пять из десяти вещей правильно, вы все равно получите хороший сварной шов». Для автоматизации лазерной сварки требуется робот с превосходной точностью траектории и повторяемостью, а в процессе сварки нужно контролировать больше факторов.В этом отношении TIG аналогичен.

Нельзя сказать, что автоматизировать сварку MIG настолько просто, что это может сделать каждый. По-прежнему требуется эксперт для программирования и диагностики проблем. Эд Хансен, директор по глобальному управлению продуктами и гибкой автоматизации ESAB Welding & Cutting Products, Дентон, Техас, сказал, что это еще один плюс для MIG.

«После многих лет эмпирических и научных данных традиционная сварка стала хорошо изучена. Мы знаем, что нужно для того, чтобы получить предсказуемый результат, обеспечивающий соединение, которое требуется конструкции.И даже несмотря на то, что мы говорим о нехватке квалифицированной рабочей силы, что является реальной проблемой для отрасли, все еще существует большой пул опытных сварщиков, техников и инженеров, которые все знакомы с управлением этими традиционными процессами ». Для большинства продуктов это простое и недорогое решение, обеспечивающее приемлемые результаты.

Темная область под сварным швом слева показывает глубокое проплавление и полное сплавление хорошего сварного шва MIG. На изображении справа показан лазерный сварной шов с полным сплавлением, но с очень неглубоким проплавлением, что уменьшает смешивание наполнителя и подложки.

Это случай, когда первоначальная стоимость системы MIG или TIG меньше, чем стоимость лазерной системы. Однако стоимость лазеров снижается и будет продолжать снижаться. «Стоимость лазера составляет от трети до половины стоимости системы лазерной сварки, — сказал Хансен, — а стоимость в зависимости от возможностей сварки снижается на 10-15 процентов в год».

Миллер также отметил, что «лазерная технологическая головка дороже, чем традиционные головки, волокно доставки стоит дороже, а защита лазерной ячейки также дороже.«Например, лазерная ячейка должна быть« светонепроницаемой »со стенками толщиной 4 дюйма (101,6 мм), чтобы выдерживать прямое попадание в течение 10 минут без прожига. (Лазер не будет в фокусе более 4 дюймов [101,6 мм]. ] на большую глубину.) Системы TIG и MIG могут быть экранированы недорогим листовым металлом, который оставляет зазоры.

С другой стороны, если учесть разницу в производительности и стоимости детали, лазер, как мы увидим, часто выигрывает. Это особенно верно для TIG, который является очень медленным процессом, требующим высокой квалификации, что делает его дорогостоящим в использовании.По этой причине Миллер сказал, что TIG в значительной степени ограничивается производством промышленного пищевого оборудования и бытовой техники, а также некоторыми прецизионными компонентами. «Люди выбирают TIG для пищевого оборудования, потому что сварной шов не имеет пористой поверхности — он очень гладкий», — сказал он. Но если эти детали необходимо производить в больших объемах, рентабельность инвестиций в лазерную систему «взорвет двери» TIG, поэтому, естественно, в таких случаях она берет верх.

Масуд Харуни, менеджер по продукции по лазерной сварке компании Trumpf Inc., Хоффман Эстейтс, Иллинойс, сказал, что даже TIG не может обеспечить полностью удовлетворительную поверхность для пищевой промышленности и других приложений, где внешний вид имеет решающее значение.«Это не так плохо, как MIG, но поверхность TIG определенно требует шлифовки после обработки, в которой нет необходимости при использовании лазера», — сказал Харуни. «Кроме того, скорость лазерной сварки видимых швов в два-три раза выше, чем у TIG. Если вы видите хороший радиус на холодильнике или аналогичной детали, значит, он был отшлифован или сварен лазером ».

Последний голос за традиционную сварку: за исключением нескольких специализированных случаев, лазерная сварка должна быть автоматизирована из соображений безопасности. И это оставляет много работы сварщикам, как объяснил Хансен.«Робот не может взбираться на леса или залезать в трюм корабля. Мы можем мечтать о таких супер-роботах, но с практической точки зрения в ближайшем будущем их здесь не будет ».

Тенденции, способствующие внедрению лазерных технологий

По мнению Миллера, производство в США имеет тенденцию к консерватизму, и «если нет проблемы, которую нужно решить, будет выбрано самое дешевое, самое надежное и проверенное решение. Таким образом, люди начинают смотреть в сторону лазера только тогда, когда сварка MIG не работает или сварка TIG идет слишком медленно.”

Объемная сварка TIG либо уже переехала за границу, либо была заменена лазером, так где же лазер может бросить вызов MIG?

Одной из основных проблем является повреждение — металлургическое или конструктивное — потенциально вызванное относительно длительной и широко распространенной теплопередачей MIG в деталь с последующим длительным циклом охлаждения. И наоборот, лазер передает тепловую энергию очень маленьким лучом, плавя только локализованную область. Общее количество подводимого тепла намного меньше, чем при сварке MIG, и деталь остывает очень быстро, что сводит к минимуму деформацию и металлургические эффекты.

Харуни предложил полезную аналогию: «Представьте себе бутылку воды на песчаном пляже в сравнении с иглой. Если вы положите на бутылку пятифунтовую гирю, она не пробьет песок. Но если вы нанесете на иглу всего несколько унций, это произойдет. Думайте о весе, которое вы прикладываете, как о нагреве, о бутылке как о MIG, а об игле как о лазере ».

Хансен из

ESAB сказал, что лазер снижает тепловложение примерно на 85 процентов по сравнению с MIG, и «остаточное напряжение в сварном шве прямо пропорционально тепловложению.Чем больше тепла вы поместите в него, тем больше остаточного напряжения вы создадите. А это означает коробление, деформацию, усадку и все эти вещи, которые вызывают кошмар, когда вы берете эту деталь и делаете из нее сборку или вставляете ее в конструкцию или транспортное средство ».

Чем больше деталь, тем больше мелких индивидуальных остаточных напряжений становятся макро-прогибами, которые очень дорого исправить, и их трудно исправить позже, добавил он. И это главное соображение для клиентов, которые пытаются «облегчить» свои продукты.Более того, по его словам, «некоторые сплавы расслаиваются или изменяют свойства при нагревании, или структура зерен растет нежелательным образом. У многих из этих материалов зернистая структура и микроструктура будут другими, если сварной шов расплавить, а затем охладить ».

С расположенным на расстоянии источником тепла и высококонцентрированной областью расплава внизу лазерная сварка кажется волшебством, как показано здесь в системе Miller Electric.

Миллер из Miller Electric отметил, что последнее поколение высокопрочных сталей «приобретает большую прочность благодаря сложным процессам термообработки.Когда вы расплавляете и затвердеваете при низкой скорости охлаждения (как при сварке MIG), все эти сильные стороны исчезают. Лазер может помочь сохранить исходную прочность материала ».

В другом примере Миллер сказал, что сварка титана методом MIG затруднена из-за «проблемы с плавающим катодом». Дуга нестабильна. Так что лазер — идеальный выбор ». С алюминием серии 6000 проблема заключается в горячем растрескивании. «Горячее растрескивание — это функция силицида магния, мигрирующего к границе зерен. Поэтому, если вы можете нагреть материал, расплавить его и охладить до того, как силицид магния переместится, тогда вы сможете создать сварной шов без трещин », — сказал он.«Лазер может сделать это, используя новейшие методы сканирования, при которых мы перемещаем луч вперед и назад с помощью зеркала».

Превосходная пропускная способность лазера

По мнению Миллера, большинство применений лазера связано с трудносвариваемыми материалами. С точки зрения Харуни, лазер настолько быстрее, что даже проекты из листового металла переходят на лазер. Насколько быстрее? Харуни из Trumpf сказал, что сварка MIG обычно происходит со скоростью 20-30 дюймов (508-762 мм) в минуту — максимум 40 дюймов (1016 мм) в минуту.Лазер, по словам Харуни, может сваривать со скоростью почти 200 дюймов (508 см) в минуту, так что сам процесс соединения уже намного быстрее. Второе преимущество — сокращение постобработки. Харуни заметил, что если внешний вид сварного шва ухудшится. Важно то, что после сварки MIG потребуется длительный цикл шлифовки, в котором нет необходимости после лазерной сварки.

«Вот почему, — добавил он, — обычно случается, что деталь, изготовленная с помощью сварки MIG по цене 25 долларов, будет стоить всего 15 долларов за лазерную сварку, даже с учетом более высоких первоначальных вложений в лазерную сварку.Например, Харуни рассказал о недавнем проекте, в котором Трампф сократил время цикла сварки большой двери с десяти часов до 35 минут. Другой заказчик столкнулся с трудностями при сварке MIG алюминиевого электрического корпуса. Сушилки были частой проблемой, и общее время цикла составляло четыре часа. Харуни сказал, что Trumpf сократил это время до 18 минут с помощью лазерной сварки.

Хансен добавил, что способность лазера глубоко проникать в материал многократно увеличивает его преимущество перед традиционной сваркой. Поскольку лазер не только в три-десять раз быстрее, чем MIG (и даже быстрее по сравнению с TIG), он может сваривать относительно толстые швы, которые потребуют нескольких проходов с помощью MIG или TIG.

«Традиционные методы также требуют очистки и шлифования между проходами, что еще больше увеличивает общее время цикла», — пояснил Хансен. «Лазер может выполнять однопроходную сварку на глубину примерно полдюйма по сравнению с примерно пятью проходами для сварки MIG, в зависимости от используемого вами процессора. Более полудюйма для лазерной сварки потребовалось бы заранее вырезать или отшлифовать скос до кромки, но это гораздо меньший скос, чем фаски всего соединения, необходимые для сварки MIG ».

Таким образом, для материала толщиной в полдюйма лазерная сварка будет в 15-50 раз быстрее, чем MIG, только по скорости сварки — и даже быстрее, если учесть дополнительную постобработку, необходимую для MIG.

Сравнение методов: несварное соединение внизу, сварка MAG чуть выше, сварка Trumpf Fusion Line (которая сочетает в себе проволоку и лазер) выше, и вверху автогенная лазерная сварка после перепроектирования соединения для этого процесса.

Конечно, при такой высокой производительности вам потребуется много сварочных работ, чтобы обеспечить питание лазерной системы и максимизировать рентабельность инвестиций. По словам Хансена, «обычно с помощью лазера можно произвести от трех до пяти систем дуговой сварки, например, при сварке листов. Чтобы запитать пять систем дополнительной дуги, потребуется много работы.”

Новые технологии в сочетании со старыми

Поскольку для автогенной лазерной сварки требуется плотная посадка между соединяемыми деталями, во многих случаях лучше всего изменить расположение стыков, чтобы представить лазеру перекрывающиеся поверхности (чтобы использовать его прокалывающую способность). Все больше производителей готовы вкладывать средства в более совершенные процессы и инструменты для разведки и добычи, чтобы воспользоваться преимуществами более высокой производительности лазера.

Но для тех, кто сопротивляется таким изменениям или в ситуациях, когда промежутки неизбежны, существуют гибридные системы, сочетающие в себе технологию лазера и подачи проволоки, а также другие новые разработки, расширяющие область применения лазера.Одна простая концепция (упомянутая ранее в отношении решения проблемы горячего растрескивания) — это раскачивание лазерного пятна. Миллер сказал, что это старая концепция, которая в последнее время стала намного более экономичной. Он предложил пример перемещения пятна диаметром 1,2 мм вперед и назад по площади 3 мм с высокой скоростью, эффективно захватывая большую площадь и при этом обеспечивая хороший сварной шов.

Хансен сказал, что гибридные системы сочетают в себе процесс MIG и лазерный луч. «Мы действительно используем лазер для проникновения.Обычно, если вы хотите повлиять на проплавление сварного шва MIG, вам нужно увеличить силу тока. Используя лазер для проплавления, мы можем уменьшить силу тока на MIG и использовать сварной шов наименьшего диаметра, который позволяет наша конструкция для инженерных целей. Таким образом, лазер позволяет нам оптимизировать MIG ». Также существует синергия между процессами за счет стабилизации дуги лазерным лучом. «Мы можем путешествовать по дуге намного быстрее, чем если бы у нас не было лазерного луча. Вот почему мы можем так быстро реализовать гибридный процесс », — сказал он.

Комплект больших шестиосных лазерных порталов ESAB для сварки пассажирских вагонов. Линия Fusion Line

Trumpf, которую Харуни описал как «технологический лазер с использованием проволоки для введения большей массы в зазоры», может перекрывать зазоры шириной до 1 мм.

Со своей стороны, ЭСАБ разработал адаптивную технологию сварки, которая определяет состояние деталей и изменяет параметры процесса в соответствии с ними. В системе используется камера, которая «рисует лазерную полосу на детали, а затем смотрит на нее под углом параллакса, чтобы увидеть форму сустава, примерно на 20-40 мм впереди процесса», — сказал Хансен.Лазерная когерентная визуализация используется для измерения замочной скважины, прорезаемой лазером в металле. «Мы можем измерить глубину проникновения и форму замочной скважины и использовать эту информацию либо в качестве меры качества, либо в замкнутом контуре для управления процессом», — сказал он.

Система автоматически регулирует проникновение лазера, мощность лазера, параметры газовой металлической дуги, скорость подачи проволоки, напряжение, поток газа и скорость перемещения по мере того, как сварочная головка обрабатывает деталь. Гол, которым руководил У.Требования S. Navy заключаются в том, чтобы обеспечить преимущества лазерной сварки с низким тепловложением для «деталей, подготовленных традиционным способом» (то есть деталей, которые не были обработаны с жесткими допусками для стандартной лазерной сварки). Хансен сообщил, что это расширяет технологическое окно для гибридной сварки в пять раз по сравнению с тем, что было бы возможно при установившемся контроле.

Лазерная сварка остается относительно новой для многих пользователей, и Харуни подчеркнул приверженность Trumpf обучению и поддержке с самого начала, а также преимущества автономного программирования их систем после установки.

Trumpf также предлагает TeachLine, новую сенсорную систему на основе камеры, которая определяет местоположение свариваемого шва. «Заказчики не хотят прерывать производство, чтобы запрограммировать новую деталь или вносить изменения в свое программирование, поэтому они могут использовать это автономное программирование и загрузить деталь, запрограммировать ее и доставить в ячейку. С TeachLine им не нужно настраивать его. TeachLine увидит деталь и откорректирует созданную вами программу в автономном режиме. Комбинация автономного программирования и TeachLine помогает нашим клиентам быстро вносить изменения в производство.”

ESAB также внедряет новый пакет «цифровых решений», который объединяет огромное количество информации, охватывающей весь процесс сварки, включая присадочный материал, основной материал и газ, чтобы упростить использование систем. Как сказал Хансен: «Сложную систему легко создать. Очень сложно сделать сложную систему простой. И вот к чему мы идем с нашими цифровыми решениями. Мы используем наши знания о процессе, чтобы принимать разумные решения по управлению процессом, чтобы оператору не нужно было быть таким же опытным или знающим, как в прошлом.”

ЭСАБ также работает над тем, чтобы сделать свое оборудование способным оценивать качество производимого сварного шва и, в идеале, предотвратить возникновение дефектов или разрывов.

Наконец, традиционная сварка также претерпела улучшения, такие как усовершенствованные формы волны и концепция ActiveWire от Miller Electric, которая непрерывно подает проволоку MIG вперед и назад, чтобы уменьшить разбрызгивание и тепловложение. Такой подход расширяет возможности автоматизации сварки MIG и делает MIG жизнеспособным решением даже для сварки некоторых сверхтонких материалов.

Традиционная сварка по сравнению с лазерной сваркой

Сварка — это процесс изготовления, в котором используется тепло для соединения двух или более отдельных деталей. В настоящее время профессионалы отрасли используют в своей работе как традиционные методы дуговой сварки, точечной сварки, так и лазерной сварки. Оба варианта процесса обладают уникальными характеристиками, которые делают их пригодными для различных случаев. Например, традиционная сварка обеспечивает менее точную подгонку детали, в то время как лазерная сварка обеспечивает большую скорость обработки и меньший риск термической деформации.

В следующей статье резюмируются различия между традиционными сварочными услугами и услугами лазерной сварки, в том числе описывается их процесс, основные преимущества и типичные области применения.

Традиционные процессы сварки

Сегодня существует несколько традиционных методов сварки, в том числе:

• Сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG) . В этом методе дуговой сварки используется неплавящийся вольфрамовый электрод для нагрева заготовки и плавления присадки (при ее наличии) для получения сварного шва.
• Сварка металла в среде инертного газа (MIG). В этом методе дуговой сварки для создания сварного шва используется элемент расходуемой проволоки, служащий электродом и присадочным материалом.
• Точечная сварка. Этот метод сварки использует пару электродов для зажима деталей вместе и пропускания электрического тока между ними для создания сварного шва.

Процесс сварки в режиме лазерной проводимости

Сварка в режиме лазерной проводимости — это передовая технология соединения металлов, в которой используется сфокусированный лазерный луч с заданным размером пятна.Во время сварочных операций лазерный расплав локализует участки детали и, если присутствует, присадочный материал, чтобы сформировать точные сварные швы. Titanova предлагает как автогенные (без присадочного материала), так и неавтогенные варианты с использованием либо лазерной сварки горячей проволокой, либо лазерной сварки холодной проволокой. В зависимости от геометрии детали, соединения и общих требований к конструкции, лазеры могут использоваться вместо традиционного процесса сварки.

<Подробнее о лазерной сварке с подачей горячей и холодной проволоки.>

Преимущества традиционной сварки

Лазерная сварка имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами сварки. Однако традиционные сварочные процессы остаются надежным производственным решением для многих отраслей по следующим причинам:

• Они понятны производственному сообществу благодаря унаследованным операциям.
• Они предназначены для менее точной сборки деталей.
• Их проще автоматизировать.
• Они имеют более низкие начальные инвестиционные затраты.
• Их можно реализовать вручную.

Преимущества лазерной сварки

По сравнению с традиционными методами сварки, лазерная сварка имеет следующие преимущества:

• Меньше тепла. При лазерной сварке зона термического влияния (HAZ) намного меньше, а общее тепловложение намного ниже, чем при традиционных сварочных операциях.
• Сниженный риск макро-прогибов и перекосов. Вышеупомянутые качества также позволяют снизить искажения, вызванные тепловым воздействием.Меньше тепла означает меньшее тепловое напряжение, что приводит к меньшему повреждению заготовки.
• Более быстрое время обработки. Несмотря на более высокие первоначальные вложения в инструмент, лазерная сварка часто оказывается более рентабельной, чем традиционная сварка из-за более высокой скорости обработки. Более высокие скорости производства также означают более высокие производственные мощности, что приводит к более быстрому производственному циклу.
• Лучше подходит для тонких металлов. Благодаря регулируемому размеру пятна лазерная сварка является отличным методом соединения тонких или хрупких металлических деталей.Размер пятна может быть специально разработан таким образом, чтобы расплавить только необходимое количество металла для получения сварного шва, тем самым сводя к минимуму возникновение тепловых внутренних напряжений, деформаций и дефектов.

Применение лазерной сварки

Повышенная точность, управляемость и эффективность, обеспечиваемые процессом лазерной сварки, делают его подходящим для производства следующего:

• Детали гидравлики и управления жидкостью
• Узлы с тонкой оболочкой, критичные к искажениям
• Фольга
• Топливная рейка
• Инструменты медицинские
• Теплообменники из нержавеющей стали
• Ящики металлические тонкие
• Тонкие детали для манометра
• Тонкая трубка

Свяжитесь со специалистами по лазерной сварке в Titanova Today

Хотя традиционные методы сварки имеют свои преимущества, лазерная сварка стала популярным вариантом соединения металлов из-за ее точности, контроля и способности сваривать деликатные или тонкие металлические детали.Если вам нужна лазерная сварка или другие услуги по лазерной обработке материалов, рассмотрите вариант Titanova. У нас более 30 лет опыта в этой области. Чтобы получить информацию о наших возможностях лазерной сварки, посетите нашу страницу возможностей лазерной сварки или свяжитесь с нами сегодня.

Достижения в технологии лазерной сварки

За последние 30 лет в лазерной технологии произошло много изменений. С каждым продвижением появляются новые вызовы и возможности.Лазер CO ₂ с длиной волны 10 микрон был королем в течение многих из этих лет, потому что он был универсальным, от резки тонких до толстых листов и быстрой сварки при сохранении высокого качества сварных швов. Немногим более 10 лет назад на рынок появились многообещающие волоконно-оптические лазеры высокой яркости с длиной волны 1 микрон и дисковые лазеры. Все думали, что более высокое поглощение стали (от ~ 5% до ~ 40%) (рис. 1) было святым Граалем для более быстрой, лучшей и большей гибкости в лазерной обработке с увеличением энергоэффективности на 200%.

Рис. 1. Кривая поглощения длины волны

Хотя лазеры были очень энергоэффективными и могли даже резать сталь 1/8 дюйма намного быстрее, мы начали замечать, что проблемы выявляются. Резка толстых пластин была сложной задачей, потому что новая длина волны поглощалась намного лучше, а это означало, что у вас было меньше энергии, доходящей до нижней части толстой пластины. С тех пор эти проблемы были решены с помощью новой режущей оптики, фокусирующей оптики с более крутым углом фокусировки и конструкции режущего сопла.

Рис. 2. Работа технологии BrightLine

Одним из инструментов, разработанных и запатентованных TRUMPF, был BL (BrightLine) с использованием оптоволокна доставки 2в1 или двухжильного кабеля (рис. 2).Эта концепция, наряду с некоторыми особенностями конструкции нашей системы, позволяет нам направлять энергию лазера в центральный сердечник при резке тонколистовой стали. При резке более толстой пластины он может активировать переключатель в лазере, чтобы направить свет во внешнее ядро, увеличивая размер пятна для более толстой пластины без необходимости менять оптическую установку. Это дает быстрый и простой способ переключаться с одного задания на другое без изменения динамики управления движением системы. В настоящее время мы можем разрезать фольгу до 1.Стальной лист толщиной 0 дюймов с легкостью работы с дисковыми лазерами.

Рис. 3. Сравнение C0 ₂ и 1 микрон HAZ

Это было первое препятствие, с которым столкнулась лазерная промышленность, поскольку около 80% или более проданных лазеров используются для резки, а не для сварки. Однако в последние годы лазерная сварка значительно расширилась. Многие из свариваемых сегодня деталей представляют собой небольшие и тонкие материалы, в которых традиционные процессы MIG и TIG не работают. Как и при резке, длина волны 1 микрон против 10 микрон поставила новые задачи.Основным преимуществом более высокого поглощения было значительно меньшее количество тепла, подводимого к детали, уменьшение HAZ (зона термического влияния), что позволяет нам сваривать быстрее и использовать более тонкие материалы (Рисунок 3).

Рис. 4. (слева) Распыление при оптимизации одиночного луча. (справа) BLW с той же скоростью

Однако из-за более высокого поглощения в сварном шве образование ванны / замочной скважины было гораздо более интенсивным, вызывая значительное разбрызгивание (рисунки 4 и 5). Сильное разбрызгивание приводит к более слабым сварным швам, из-за чего часть материала выбрасывается, движущиеся части и шестерни могут заедать или быть повреждены обломками, а с электроникой это может вызвать короткое замыкание.Затраты на техническое обслуживание увеличиваются, так как требуется более частая очистка инструментов и приспособлений, а также защитные очки для линз, которые можно быстро повредить.

Рисунок 5. Сравнение количества разбрызгивания между стандартом и BLW

На рисунке 5 показано сравнение количества разбрызгивания между стандартом и BLW. Мы скорректировали размер пятна и нашли оптимальную скорость подачи, чтобы уменьшить разбрызгивание, но они, как правило, ограничивают время обработки. Кроме того, многие внедрили методы механической защиты для защиты деталей и облегчения очистки.Компания TRUMPF представила новую концепцию, расширив свой режущий механизм Bright-Line, и теперь предлагает BLW (BrightLine Weld). BL позволяет направлять мощность лазера в одно ядро ​​или другое; в BLW мы разделяем мощность лазера на оба ядра одновременно, что позволяет вам варьировать мощность 10–90% между двумя ядрами для получения оптимальных результатов (рис. 6). Одна из уникальных особенностей TRUMPF TruDisk — это конфигурация оптики в свободном пространстве перед вводом в технологическое волокно; мы используем всю мощность лазера и сокращаем врезку нескольких волоконных модулей в сердцевину.Это позволяет нам в некоторых случаях использовать лазер BLW мощностью 2 или 4 кВт вместо сращивания волокон мощностью 7 или 8 кВт для достижения той же производительности.

Рис. 6. (слева направо) Увеличение мощности лазера во внешней сердцевине волокна

Первым исследованным применением была сварка автомобильной трансмиссии. В этом приложении учитываются контролируемые запрессованные соединения, стабильное качество материала и требования к быстрой сварке, низкому искажению от тепловложения и небольшому или отсутствующему образованию брызг при попадании в коробку передач с множеством движущихся шестерен.Технология BrightLine Weld позволяет настраивать очень гибкий диапазон параметров для оптимизации энергоэффективности или производительности оборудования. Если BrightLine Weld используется для оптимизации энергоэффективности, как показано на рисунке 7 слева, деталь можно сваривать с обычной скоростью подачи, например, v = 5 м / мин с мощностью лазера P = 2 кВт и проплавлением. глубина около 3 мм. Образование брызг невелико, поэтому выхлоп не требуется, что снижает затраты. С другой стороны, можно повысить производительность за счет увеличения скорости подачи в сочетании с использованием более высокой мощности лазера.Этот случай показан в правой части рисунка 7. Такой же высококачественный сварной шов с низким разбрызгиванием и одинаковой глубиной проплавления может быть получен с трехкратной скоростью сварки при v = 16 м / мин и P = 5 кВт.

Рис. 7. Скорость BLW или меньшая мощность лазера

Увеличение скорости подачи приводит к более высокой скорости охлаждения расплавленного материала. Испытания проводились на осевом шве между валом и диском. Вал изготовлен из 20MnCr5, диск толщиной 5 мм — из 16MnCr5. Дальнейшее исследование поперечных сечений сварных швов показывает тонкий шов V-образной формы.Сварной шов с помощью BrightLine Weld получается узким по сравнению с современными технологиями. Точно так же HAZ уже. Площадь поперечного сечения составляет 1,08 мм ² для площади шва (для сравнения — современные 1,70 мм ² ) и для ЗТВ всего 0,79 мм ² для обеих сторон (для сравнения 1,76 мм ² ). Средняя глубина сварки 3,6 мм.

Структурные изменения в зоне термического влияния аналогичны процессу сварки BrightLine Weld на обеих сторонах шва.В мелкозернистом материале, а не в более крупнозернистой стали, только бывшие перлитные зерна превращаются в мартенсит. Прежние зерна феррита не преобразуются или только вблизи границ зерен. Более высокая скорость сварки BrightLine Weld означает, что меньше времени для диффузии углерода и меньше конверсии феррита.

Рис. 8. Поперечные сечения и кривые твердости для современного образца и испытательного образца BrightLine Weld

Кривые твердости на рисунке 8 показывают, что зоны закалки для процесса BrightLine Weld более узкие по сравнению с современным сварным швом. без профилирования луча.Это отражает описанную ширину и площадь сварных швов и зон термического влияния. По величине затвердевания оба метода примерно равны. В сварных швах достигается твердость от 450 до 470 HV0,1. В зонах термического влияния измеренная твердость зависит от того, влияет ли отпечаток твердости на ферритные или мартенситные зерна. В мартенситных зернах происходит упрочнение до 650 HV0,1. В среднем в процессе сварки BrightLine Weld HAZ, по-видимому, содержит меньшую долю сильно закаленных участков, что связано с более высокой долей остаточных зерен феррита

Как вы можете видеть в этом применении плотного, запрессованного стыкового шва , технология BLW снизила разбрызгивание на 90–95%, сохранив при этом такую ​​же или лучшую твердость, HAZ и растрескивание.Кроме того, если производительность не является серьезной проблемой, вы можете купить менее дорогой лазер с меньшей мощностью. Если производительность является основным фактором, аналогичная мощность однолучевого лазера может увеличить скорость подачи до 300%.

После того, как технология доказала свою эффективность в этом приложении, мы обратились к другим сварочным материалам и конфигурациям соединений. Нержавеющая сталь резко сократила образование брызг на 90-95%, но прирост скорости составил всего около 100% по сравнению с 300% для мягкой стали. Это важно, поскольку многие виды сварки нержавеющей стали предназначены для косметических сварных швов, поэтому сочетание BLW с защитным газом может решить косметические проблемы.Были оценены и другие конструкции сварных швов, и BLW показала такое же уменьшение разбрызгивания, но изменения в процессе включают увеличение размеров пятна или колебания луча. Это необходимо, поскольку BLW довольно узкий при использовании оптики с соотношением кадров 1: 1 и прочности сварного шва при сварке внахлест. При угловой сварке прочность сварного шва измеряется зоной стыка сварных швов двух кусков материала, а не глубиной сварного шва на стыковой сварке.

Рис. 9. Сварка алюминия

В настоящее время очень активным рынком являются электромобили с аккумулятором и двигателями, а также электроника, электроэнергетика и аккумуляторы, которые широко используют медь и алюминий.BLW значительно улучшает качество и скорость сварки этих материалов, а также снижает разбрызгивание. В этих отраслях необходимо поддерживать высокое качество электропроводности и минимальное сопротивление при минимизации хрупкости в зоне сварного шва и придании сварному шву хорошего косметического вида. На Рисунке 9 показан пример сварки алюминия с одинарным сердечником и двойным сердечником из BLW, а на Рисунке 10 показаны сварные швы в меди. Тестирование этих материалов продолжается.

Таким образом, профилирование луча с использованием BLW при лазерной сварке с помощью коаксиально наложенных балок было успешно применено при сварке зубчатых колес на высоких скоростях.В этом случае сварка шва проводилась с трехкратной скоростью сварки по сравнению с современными технологиями. Испытания на долговечность высокоскоростных сварных швов показывают, что стандартная долговечность лазерных сварных швов обеспечивается.

Рисунок 10. Поверхность и поперечное сечение сварки меди

При сварке материалов с низкой вязкостью в жидкой фазе, таких как медь, формирование луча BrightLine Weld показало и другие положительные эффекты. Значительное предотвращение разбрызгивания достигается при сварке с глубоким проплавлением отверстий под ключ.При сварке алюминия серии 6000 возникают горячие трещины при сварке внахлест с небольшими размерами фланцев. При формировании балки были получены хорошо контролируемые сварные швы с частичным проплавлением без брызг. Это открывает новые возможности для сварочных работ в навесных деталях автомобилей благодаря высокой скорости подачи, которая возможна при линейной сварке.

Эта статья написана Трейси Рыба, менеджером OEM Lasers N.A., TRUMPF (Плимут, Мичиган). Для получения дополнительной информации свяжитесь с г-ном.Рыба на Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. или посетите здесь .

---

Photonics & Imaging Technology Magazine

Эта статья впервые появилась в выпуске журнала Photonics & Imaging Technology за май 2019 г.

Читать статьи в этом выпуске здесь.

Другие статьи из архива читайте здесь.

ПОДПИСАТЬСЯ

Новейшие технологии и системы для сварки волоконным лазером

Технология и системы для сварки волоконным лазером обеспечивают новые возможности и гибкость для сварки широкого спектра металлов и сплавов.

Новые возможности и гибкость при сварке металлов и сплавов волоконным лазером привлекают внимание многих ведущих производителей, особенно в аэрокосмической промышленности. Эти достижения сосредоточены на разработке процессов и возможностей системы для сварки 2D- и 3D-компонентов с помощью волоконных лазеров CW и QCW малой, средней и большой мощности.

Металлы и сплавы, для которых были продемонстрированы эти возможности, включают нержавеющую сталь 304, титановые сплавы, включая Ti-6Al-4V и Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, и жаропрочные сплавы на основе никеля, включая Inconel 625, Inconel 718 и Hastelloy X.Наличие мощного волоконного лазера CW и QCW с его средней мощностью в несколько киловатт, длиной волны 1 микрометр (мкм) и высокой яркостью (качеством луча) обеспечивает лазерному источнику новые возможности и гибкость.

По сравнению с CO2-лазерами для сварки, документально подтверждено, что длина волны волоконного лазера 1 мкм обеспечивает преимущества с точки зрения упрощенной доставки луча с использованием волоконно-оптических кабелей вместо поворотных зеркал; большее поглощение металлами, особенно теми, которые хорошо проводят электричество, такими как алюминий и медь; и меньшее поглощение плазменным шлейфом, который образуется над сварочной ванной.Более высокая яркость волоконного лазера по сравнению с высокомощными лазерами на Nd: YAG означает, что лазерный луч, если желательно, может быть сфокусирован до меньших размеров, что, в свою очередь, приводит к увеличению плотности мощности. Эти факторы способствуют более глубокому проплавлению и более высокой скорости сварки по сравнению с предыдущими источниками эквивалентной средней мощности. Они также означают более стабильные сварочные процессы в более широком диапазоне металлов и сплавов.

Линия продуктов LASERDYNE® сегодня наиболее известна как 3D-лазерные системы для резки и сверления для аэрокосмической промышленности.Однако за 33-летнюю историю того, что сейчас называется Prima Power Laserdyne, было поставлено множество систем лазерной сварки для аэрокосмической промышленности (двигатели и планер), автомобилестроения, электроники, гидравлических муфт и медицинских устройств с использованием CO2, Nd: YAG и в последнее время. , источники волоконного лазера.

Увеличенный диапазон мощности волоконных лазеров CW и QCW на стандартных изделиях Laserdyne позволяет сваривать широкий спектр металлов и сплавов

Доказано, что технология сварки волоконным лазером обеспечивает правильную геометрию сварного шва для аэрокосмических и других сплавов.Сварочные испытания включали ряд параметров лазера и защитных газов.

Проведены испытания сварки с использованием ряда параметров лазера и защитных газов. Металлография (поперечные сечения) и рентгеновская радиография использовались для документирования взаимосвязи между лазером (размер пятна, мощность лазера и т. Д.) И обработкой (тип защитного газа, скорость потока газа, метод подачи газа, скорость сварки, положение фокуса). и т. д.), а также полученную геометрию и структуру сварного шва. Например, испытания показали условия, которые приводят к пористости сварного шва, и те, которые дают сварные швы без пористости.Эти испытания также показали взаимосвязь между лазером и параметрами обработки формы и профиля сварного шва.

Наиболее полное исследование в последнее время было сосредоточено на лазерной сварке аэрокосмических сплавов. Основная проблема для этих материалов — строгие требования к соединениям. Не допускается наличие трещин или пористости в сварном шве. Геометрия сварного шва должна быть правильной с хорошими механическими свойствами при высоких температурах. Испытания, проведенные Prima Power Laserdyne, показали, что эти сплавы можно сваривать как с помощью волоконных лазеров с непрерывным, так и с QCW-излучением.

Однако проблема заключается в разработке надежных наборов параметров лазера и обработки, обеспечивающих неизменно высокое качество сварных швов. Laserdyne разработала параметры лазера и обработки для сварки всего диапазона аэрокосмических сплавов. Сварочные испытания демонстрируют, что ни один параметр не контролирует качество сварки, в то время как сочетание параметров лазера и обработки существенно влияет на качество сварки. Эти исследования также показывают, что сварные швы без трещин и пористости могут быть легко получены из целого ряда сплавов на основе никеля и титана.

Лазерные системы 3D, оснащенные волоконными лазерами CW и QCW и устройством подачи проволоки

Сварочные испытания

Laserdyne включали испытания с добавлением присадочной проволоки. Некоторые сплавы и комбинации разнородных материалов требуют добавления присадочного материала для контроля структуры металла шва и предотвращения растрескивания для обеспечения требуемых механических свойств. В других случаях присадочный металл используется для управления геометрией сварного шва, например, для создания небольшой выпуклости (усиления) зоны плавления сварного шва.Присадочный материал также используется для компенсации плохой посадки и несоответствия во время лазерной сварки в конфигурации стыкового соединения. Лазерная сварка присадочной проволокой — это многопараметрический процесс, и существует ряд параметров лазера и присадочной проволоки, которые определяют качество получаемого сварного шва. Благодаря вышеупомянутым сварочным испытаниям все важные параметры добавления присадочного материала для получения качественных сварных швов были оптимизированы.

Сварочные испытания

привели к созданию новой лазерной системы Характеристики

Узел сопла с перекрестной форсункой предотвращает повреждение фокусирующей линзы и скользящей защитной крышки, а также предотвращает загрязнение или вмешательство в сварочный защитный газ, обеспечивая качественные сварные швы с правильной геометрией.

Одним из значительных достижений является новый узел фокусирующей линзы с поперечно-струйной конструкцией, который сохраняет компактный профиль LASERDYNE третьего поколения BeamDirector®, названный BD3Y. Функция поперечной струи обеспечивает высокоскоростной газовый барьер, который предотвращает попадание металлических искр в зоне сварного шва на ползунок защитной крышки линзы. Критичным для этой конструкции является то, что поперечная форсунка также предотвращает загрязнение или взаимодействие с защитным газом для сварки. Сопло с поперечной струей может использоваться со всем диапазоном устройств подачи защитного газа, включая сварочный башмак и наконечник коаксиального газового сопла.

Башмак защитного газа обеспечивает контролируемую атмосферу для зоны сварного шва, пока он расплавляется, и охлаждается до температуры, ниже которой материал не будет поврежден окружающей атмосферой. Это важно при сварке материалов, таких как титановые сплавы, которые имеют сильное сродство к кислороду и азоту окружающей атмосферы. Еще одно важное преимущество конструкции узла фокусирующей линзы / защитного газа для лазерной сварки состоит в том, что они быстро меняются с помощью фокусирующей линзы, установленной на кассете, для изменения размера сфокусированного пятна.

Улучшенный контроль волоконного лазера обеспечивает более высокое качество сварных швов

Новые возможности управления лазером, в частности линейное нарастание мощности лазера и формирование лазерных импульсов с субмиллисекундным разрешением, были продемонстрированы с использованием системы управления LASERDYNE S94P. Этот более высокий уровень контроля приводит к более стабильным и более качественным сварным швам. Это увеличивает гибкость систем лазерной сварки за счет расширения диапазона материалов, которые в настоящее время свариваются лазером. Показано, что формирование импульса эффективно для управления профилем и структурой сварного шва.Это достигается за счет управления температурным профилем во время формирования сварного шва и во время охлаждения сварных швов и зон термического влияния.

Например, обеспечение части импульса с меньшей амплитудой после начальной части контролирует охлаждение сплавов, которые затвердевают во время быстрого охлаждения. Другим примером является использование формы импульса с более высокой амплитудой на переднем фронте для материалов, которые отражают лазерный луч даже на длине волны 1 микрометр. Быстрый нагрев поверхности приводит к увеличению поглощения лазерного луча и более стабильному процессу.

Все описанные функции стандартизированы и доступны для всей линейки продуктов Laserdyne, включающей системы от 3 до 7 осей, включая LASERDYNE 795 и LASERDYNE 430BD.

Волоконная лазерная сварка | Технологии | Металлоконструкции KIKUKAWA

Комбинируя новейшие сварочные технологии и робототехнику, KIKUKAWA обеспечивает высококачественную сварку очень длинных, негабаритных изделий и изделий сложной формы. Это небольшие сварные швы с валиком и минимальным изменением цвета при сварке.Помимо предоставления высококачественных металлических изделий, Kikukawa может выполнять сварку или сварку разнородных металлов.

Щелкните здесь, чтобы просмотреть нашу брошюру по «сварке волоконным лазером»

Процесс изготовления гипотрохоидного пандуса Bloomberg London

■ Что такое сварка волоконным лазером (FLW)?

В отличие от традиционных сварочных процессов, таких как газовая дуговая сварка или полуавтоматическая сварка, при сварке волоконным лазером в качестве источника тепла используется свет.С момента создания Эйнштейном теоретических основ в 1917 году лазерная сварка была фундаментальной технологией в различных отраслях, таких как информационные технологии, производство, здравоохранение и красота.
По сути, лазеры — это свет, который усиливается через среду, и в зависимости от этой среды лазер делится на твердый, газовый и жидкий. Обычно при изготовлении используются лазеры, работающие в газовом состоянии, а также твердотельные YAG-лазеры или волоконные лазеры. Каждый обозначает среду, газ CO2 (углекислый газ), кристаллы YAG (иттрий-алюминиевый гранат) и волокно (оптические волокна).
Среди этих различных типов лазерной сварки сварка волоконным лазером обеспечивает самую высокую плотность мощности и самую высокую концентрацию пучка. Мощность лазерной сварки в 3180 раз превышает мощность газовой дуговой сварки.

■ Преимущества волоконной лазерной сварки (FLW)

Сварные швы с волоконным лазером бывают «малыми» и «глубокими». Сварные валики и зоны термического влияния минимальны, а высокопрочная сварка достигается на высокой скорости. Изменение цвета или деформация, ожоги от сварки минимальны, что напрямую влияет на качество отделки изделия.Кроме того, быстрая, но глубокая сварка приводит к высокопрочным сварным швам и устранению необходимости в процессе подготовки кромок.
Роботизированный характер этой сварки соответствует сложным требованиям к сварке, таким как удаленные сварные швы, длинные сварные швы, изогнутые сварные швы и точечные швы. Роботизированную программу можно комбинировать с ЧПУ или CAD / CAM, что делает возможной сложную трехмерную сварку из 3D-CAD (таких как Solidworks).

■ Примеры сварки волоконным лазером

Вот несколько примеров реализации этой технологии волоконной лазерной сварки в компании KIKUKAWA.

Bloomberg London, Hypotrochoid Interior Ramp (бронза)

Каждая панель гипотрохоидного пандуса Bloomberg London имеет трехмерную кривизну. Для реализации конструкции без стыков самые большие из этих панелей имеют размер 2600 мм (Ш) x 2731 мм (Д).
Чтобы соединить стены и детали крышки в плавную кривую, необходимы 3D-CAD, такие как Solidworks и сварочные рамы.

Для получения дополнительной информации о бронзовых панелях Bloomberg London щелкните здесь

* Гипотрохоид: рулетка, начерченная фиксированной точкой круга, катящаяся по другому кругу.

Счетчик для мойки (нержавеющая сталь)

Длина сварки этого счетчика составляла 4000 мм, счетчик был изготовлен путем лазерной сварки плоских нержавеющих стержней и металлических листов. Сварка с минимальной деформацией действует как гидроизоляция, обеспечивая высококачественную отделку прилавка.

Декоративная фурнитура (нержавеющая сталь)

1. 1. Ворота декоративные

Металлические украшения на воротах школы имеют изгибы, навеянные завитками листвы.Производство этих декоративных металлов требовало сварки волоконным лазером, чтобы сваривать точно по кривизне, чтобы получить отделку, которая подчеркивает красоту нержавеющей стали.

Для получения дополнительной информации о декоративных воротах Американской школы в Японии щелкните здесь

2. 2. Эллипсоид

Декоративный эллипсоид из нержавеющей стали, установленный снаружи костницы, был изготовлен, сварен и обработан на заводе и доставлен на место в виде одной детали размером 4776 мм (Ш) x 3300 мм (В).Это было осуществлено путем сварки нескольких панелей из нержавеющей стали вместе; однако сложная форма и заданная отделка требовали качественной сварки.

Рамы и панели (нержавеющая сталь)

Калейдоскопический вход в Tokyu Plaza, Omotesando Harajuku, требовал высококачественной нержавеющей стали с зеркальной полировкой. Чтобы изготовить их с минимальным прогибом, Kikukawa применила сварку волоконным лазером, чтобы прикрепить несущие рамы к панелям.

Для получения дополнительной информации о Tokyu Plaza, Omotesando Harajuku щелкните здесь

Панели с зеркальной полировкой (нержавеющая сталь)

Зеркальная полировка — это сложная отделка, так как качество материала, отделки и изготовленной панели видно по отражению.
Особый дизайн требовал установки L-образных панелей из нержавеющей стали в круглом вестибюле. Поскольку круглая форма делает невозможным изготовление изгиба, возникла необходимость в сварке изогнутых панелей из нержавеющей стали в L-образную форму. Однако использование обычных методов сварки не позволило бы достичь требуемого высокого качества.

Решетки (нержавеющая сталь)

Ранее Kikukawa производила решетки методом TIG-сварки плоских стержней из нержавеющей стали.Эта сварка требует высококвалифицированного мастерства и времени. При рассмотрении других методик Кикукава смогла укрепить импульсные сварные швы, что минимизировало сварочные ожоги.

Макет пешеходных мостов (нержавеющая сталь)

Панели из нержавеющей стали толщиной в один миллиметр были вырезаны и сварены лазером, чтобы создать красивый макет пешеходного моста, который эффективно пропускает свет.

■ Сварка волоконным лазером KIKUKAWA

1. 1.Применимые материалы и размеры

Kikukawa может сваривать лазером нержавеющую сталь (0,8–6,0 мм), алюминиевый сплав (1,0–5,0 мм), бронзовые сплавы (1,0–3,0 мм) и сталь (0,8–6,0 мм). По запросу также возможны титановые и никелевые сплавы.
Возможные размеры до 1200 мм (Ш) x 7000 мм (Д) x 1300 мм (В), однако ограничения могут различаться в зависимости от формы продукта.

2. 2. Технологии лазерной сварки

С момента установки 8 лет назад компания Kikukawa сваривает различные материалы и изделия.Это углубило наше понимание лазерной сварки и укрепило ноу-хау, а также позволило нам изучить ее ограничения.
Это включает изобретение нового сварочного стапеля и его методологии или компиляцию внутренних экспериментов по сварочной деформации.
Например, согласно внутреннему исследованию, деформация сварочной нержавеющей стали может быть ограничена до 1/10 по сравнению со сваркой TIG.
Кроме того, сведение к минимуму обесцвечивания при сварке означает, что такая отделка, как сульфуризация, которая в значительной степени зависит от цвета материала, может применяться к сложным и более крупным изделиям.

3. 3. Поиск решений

Помимо сварки волоконным лазером, Kikukawa имеет различное оборудование для гибки и другой обработки металлов. Объединив это с мастерством Кикукавы, мы можем выбрать наиболее подходящую и эффективную методологию изготовления.

■ Сварка KIKUKAWA и волоконным лазером

Ранее считалось, что лучше всего сваривать нестальные материалы методом TIG-сварки. Однако обеспечение необходимой прочности при сварке означало, что изделия нужно было обработать для устранения сварочных ожогов и деформации.Таким образом, качественная сварка — дело сложное, дорогостоящее и трудоемкое. Кроме того, не будет преувеличением сказать, что успех реализации панелей с двойным изгибом во многом зависит от сварки с минимальной деформацией.
Чтобы удовлетворить растущий спрос на изделия с двойной кривизной и высококачественную сварку, исследования Кикукавы привели к добавлению в 2010 году сварочного аппарата с волоконным лазером, что является редким решением для сообщества архитектурных металлообрабатывающих предприятий.
Среди различного оборудования для сварки волоконным лазером Kikukawa использует многомодовый * волоконный лазер.Ширина излучения многомодового излучения является одной из самых больших среди сварочных аппаратов с волоконным лазером и поэтому хорошо подходит для изготовления крупномодовых архитектурных изделий. Многорежимный режим также позволяет сваривать бронзовые сплавы — обычный материал, которым занимается Kikukawa.

* Многомодовый: в зависимости от мощности и формы лазера лазеры можно разделить на одномодовые и многомодовые. Облучение одномодовых лазеров составляет примерно 0,1 мм, в то время как многомодовые лазеры могут быть расширены до 0,45 мм ~ 2.0мм.

■ Проконсультируйтесь с нами

В Kikukawa из металла изготавливаются различные материалы, формы и размеры с использованием различных машин; от резки, гибки до сварки. Объединив другие технологии обработки металла и разработав новые технологии, Kikukawa удовлетворила потребности, которые не могли быть удовлетворены с помощью предыдущих методов сварки. Пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам, от консультации до возможности изготовления.

Для получения дополнительной информации о возможностях металлообработки щелкните здесь
https: // www.kikukawa.com/en/order-metal/

Нажмите здесь, чтобы сделать запрос

Способы сварки волоконным лазером для трехмерных деталей

Лазерная сварка — одно из старейших применений промышленной лазерной обработки материалов. В большинстве ранних применений лазерная сварка давала сварные швы с более высоким качеством, большей производительностью и / или более низкими затратами, чем другие процессы соединения, даже несмотря на то, что свариваемые детали были изначально разработаны на основе другого процесса соединения.

Многое изменилось с момента появления лазерной сварки. Изменились классы лазеров. Лазерные источники теперь имеют более высокую мощность, другие длины волн и более широкий диапазон импульсных способностей. Добавьте к этому новые разработки в области доставки луча, аппаратного и программного обеспечения для управления оборудованием, датчиков процесса и лучшего понимания процесса лазерной сварки.

Лазерная сварка заключается в фокусировке лазерного луча на поверхности соединяемых материалов. Ключевым преимуществом является небольшая область, на которую влияет процесс, обусловленный малым (несколько десятых миллиметра) размером сфокусированного лазерного луча.Хотя это в целом верно на протяжении всей истории лазерной сварки, сегодня процесс контролируется с большей точностью и скоростью, что позволяет производить сварные швы более высокого качества.

Что не менее важно, инженеры-конструкторы узнали о возможностях лазерной сварки и разрабатывают продукты, в которых используются уникальные преимущества лазерной сварки. К ним относятся низкое тепловложение, узкие зоны плавления и термического влияния, а также превосходные механические свойства материалов, которые ранее было трудно сваривать с использованием процессов, которые обеспечивают большее тепловложение для детали.В результате сварные швы становятся более прочными и более привлекательными с косметической точки зрения. Процессы для их достижения требуют гораздо меньше времени на настройку и могут быть автоматизированы. Результат — более низкая стоимость продукта. Все это еще больше расширило возможности лазерной сварки для разработки новых продуктов, особенно в последние несколько лет.

Волоконные лазеры стимулируют разработку новых продуктов

Предыдущие поколения лазерных источников, в том числе стержневые Nd: YAG (импульсные и непрерывные волны) и CO2-лазеры, были ограничены в применении для сварки либо из-за длины волны, низкой средней мощности, либо из-за ограниченного отклика на управление высокой скоростью.

Все это изменилось с появлением мощных волоконных лазеров с непрерывной (CW) и квазинепрерывной (QCW) волной (QCW) с длиной волны в ближнем инфракрасном диапазоне и возможностью управления с высокой скоростью и высоким разрешением. Производители волоконных лазерных систем разработали новое оборудование, которое делает возможным применение новых продуктов.

Еще одна разработка — многоцелевая волоконная лазерная система. Сегодняшние лазерные машины более гибкие, чем те, что были в прошлом. В настоящее время эти системы обычно выполняют несколько лазерных операций, включая резку, сварку, сверление и маркировку, с использованием одного станка для обработки одной детали или семейства деталей.Поскольку управление процессом более точное, диапазон параметров процесса шире. Дополнительный контроль обеспечивает еще большие возможности для лазерной сварки разнородных материалов.

Два класса волоконной лазерной сварки для различных конструкций изделия

Автогенная сварка: Материалы соединяются без добавления дополнительных материалов, что требует высочайшего уровня фиксации и подготовки стыков. Поскольку материал не добавляется, необходимо, чтобы свариваемые материалы оставались в тесном контакте во время процесса сварки.Любое значительное разделение материалов может привести к неприемлемому профилю сварного шва или полному разрушению сварного соединения.

Крепеж, обеспечивающий равномерную подгонку сварного шва, является ключом к успешной сварке волоконным лазером. Важным преимуществом является исключительный косметический внешний вид сварных швов. В некоторых случаях эти сварные швы почти идеально сочетаются с окружающим материалом. В зависимости от крепления и подгонки стыков некоторые сварные швы могут иметь небольшую вогнутость (что может быть неприемлемо для конструкций изделий, требующих усталостных свойств, аналогичных свойствам основного материала) или выпуклости.

Аддитивная сварка: Материал добавляется к сварному шву, как правило, в виде металлической проволоки или порошка. Три причины для добавления материала к сварному шву:

1. Подгонка шва : При добавлении дополнительного материала шов становится более устойчивым к несовпадению швов. Приемлемые сварные швы могут быть получены из соединений с неидеальной подгонкой.
2. Геометрия сварного шва : Добавление присадочного металла используется для контроля формы и размера сварного шва.Сохранение гребня (выпуклой поверхности сварного шва) создает усиление, которое важно для соединений, требующих механической прочности и усталостной долговечности в общих проектных характеристиках продукта.
3. Разнородные металлы : Присадочный металл добавляется для облегчения сварки разнородных металлов и сплавов, которые в остальном металлургически несовместимы.

Добавление проволоки или порошка к сварному шву создает дополнительные управляющие переменные. Существуют приложения, в которых микроструктура металла значительна.Поэтому перед выбором класса сварного шва необходима тщательная оценка. Примером могут служить нержавеющие стали серии 300, требующие меньшего тепловложения для уменьшения деформации сварных швов. Это делает сварку волоконным лазером предпочтительным процессом для сварки тонких металлов, таких как нержавеющая сталь.

В других случаях сварочный процесс требует добавления присадочного металла для контроля микроструктуры сварного соединения. В частности, сварные швы из разнородных металлов или комбинаций сплавов, которые склонны к растрескиванию из-за образования хрупких интерметаллических соединений, могут быть сделаны свариваемыми.Это достигается за счет добавления сплава, который обеспечивает состав металла сварного шва с лучшими механическими свойствами.

Продукция, созданная с использованием волоконной лазерной сварки

Лазерная сварка успешно применяется во многих отраслях промышленности с использованием различных металлов, деталей, форм, размеров и объемов. Некоторые важные отраслевые примеры перечислены ниже.

Сварка аккумуляторных батарей

Все более широкое применение литиевых батарей в электромобилях и многих электронных устройствах теперь использует сварку волоконным лазером в конструкции изделий.Компоненты, по которым проходит электрический ток, произведенный из меди или алюминиевых сплавов, соединяются с выводами с помощью сварки волоконным лазером для соединения ряда ячеек в батарее.

Алюминиевые сплавы, обычно серии 3000, и чистая медь свариваются лазером для создания электрического контакта с положительными и отрицательными клеммами аккумуляторной батареи. Полный спектр материалов и комбинаций материалов, используемых в батареях, которые являются кандидатами для новых процессов сварки волоконным лазером, включает те, которые показаны ниже.

Современные аккумуляторы электромобилей рассчитаны на срок службы более 10 лет.Чтобы обеспечить надежную работу в течение этого срока службы, отдельные компоненты и элементы в батарее соединены многочисленными сварными швами. Последние достижения в технологии волоконной лазерной сварки теперь позволяют сваривать эти соединения разнородных материалов, таких как алюминий, медь и другие материалы, эффективно с воспроизводимым качеством.

Соединения внахлест, стыковые и угловые сварные швы обеспечивают различные соединения внутри батареи. Приварка материала вывода к отрицательной и положительной клеммам создает электрический контакт блока.Заключительный этап сварки сборки электролизера — герметизация швов алюминиевых банок — создает барьер для внутреннего электролита.

Поскольку ожидается, что аккумулятор будет надежно работать в течение 10 и более лет, эти лазерные сварочные швы неизменно высокого качества. Итог: при использовании правильного оборудования и процесса для волоконной лазерной сварки доказано, что лазерная сварка обеспечивает неизменно высокое качество сварных швов алюминиевых сплавов серии 3000, которые имеют соединения в соединениях разнородных металлов.

Прецизионная сварка деталей, подвергнутых механической обработке

Уплотнения, используемые на судах и химических нефтеперерабатывающих заводах, а также в фармацевтическом производстве, изначально были сварены методом TIG.Поскольку эти компоненты используются в чувствительных средах, эти компоненты подвергаются прецизионной механической обработке и шлифовке из жаропрочного и химически стойкого сплава на основе никеля. Размеры партий обычно небольшие, а количество установок велико.

Сборка этих компонентов была улучшена за счет сварки волоконным лазером. Обоснованием замены более раннего процесса роботизированной дуговой сварки на сварку волоконным лазером с использованием четырехосного станка с декартовой системой координат были: (1) неизменно более высокое качество лазерных сварных швов, (2) простота перехода от одной конфигурации компонентов к другой, что сокращает время настройки. , (3) автоматизация процесса лазерной сварки с использованием четырехосевого лазерного станка с ЧПУ, улучшила производительность при одновременном снижении затрат на сборку.

Герметичная сварка электронных блоков

Герметичная электроника в медицинских устройствах, например, в кардиостимуляторах, и других электронных продуктах сделала сварку волоконным лазером предпочтительным процессом для приложений, требующих высочайшей надежности. Недавние достижения в области герметичной сварки позволили решить проблемы, связанные с лазерной сваркой и конечной точкой сварного шва, критической точкой при завершении герметичного уплотнения. Предыдущие методы лазерной сварки приводили к образованию впадины в конечной точке, когда лазерный луч выключен, даже при снижении мощности лазера.Улучшенное управление лазерным лучом устраняет углубления как в тонких, так и в глубоких сварных швах. Результатом является стабильная геометрия и отсутствие пористости в конечной точке с улучшенным косметическим внешним видом и более надежной герметичностью.

A: Обратите внимание, что эта сварная сборка имеет красивое с косметической точки зрения соединение, сваренное с помощью волоконной лазерной сварки, которое является герметичным и жестким. По всей окружности сборки имеется сплошной сварной валик без углубления в конечной точке
B: Сварной шов имеет нежелательное углубление в конечной точке, которое является участком пористости, низкой прочности и косметически неприемлемо.
C: Использование технологии Laserdyne SmartRamp ™ устраняет вмятины в точках сварки.

Сварка в аэрокосмической отрасли

Лазерная сварка аэрокосмических сплавов на основе никеля и титана требует контроля геометрии и микроструктуры сварного шва, включая минимизацию пористости и контроль размера зерна. Во многих аэрокосмических приложениях усталостные свойства сварного шва являются критическими критериями проектирования. По этой причине дизайнеры почти всегда указывают, что сварные поверхности должны быть выпуклыми или слегка выпуклыми, чтобы обеспечить усиление сварного шва.

Для этого в автоматизированном процессе используется присадочная проволока диаметром 1,2 мм. Добавление присадочной проволоки к стыковому соединению приводит к равномерной гребне как на верхнем, так и на нижнем сварном шве. Выбор сплава проволоки также влияет на механические свойства сварного шва, обеспечивая прочную микроструктуру сварного шва.

Сварка волоконным лазером высокотемпературных компонентов аэрокосмической отрасли на никелевой основе обеспечивает прочное и прочное соединение. Сварные швы, отвечающие требованиям к геометрии и качеству для аэрокосмической техники, легко производятся.

Сварка деталей из листового металла из разнородных металлов

Возможность создавать изделия из различных металлов и сплавов значительно увеличивает гибкость конструкции и производства. Оптимизация таких свойств, как коррозионная, износостойкость и термостойкость готового продукта при одновременном управлении его стоимостью, является распространенной мотивацией для сварки разнородных металлов.

Соединение нержавеющей стали и оцинкованной (оцинкованной) стали является одним из примеров. Благодаря своей превосходной коррозионной стойкости и нержавеющая сталь 304, и углеродистая сталь с цинковым покрытием нашли широкое применение в таких разнообразных областях, как кухонная техника и авиационные компоненты.

Этот процесс представляет некоторые особые проблемы, особенно потому, что цинковое покрытие может создавать серьезные проблемы с пористостью сварного шва. Во время процесса сварки энергия, плавящая сталь и нержавеющую сталь, приведет к испарению цинка при температуре примерно 900 ° C, что значительно ниже точки плавления нержавеющей стали.

Низкая точка кипения (испарения) цинка приводит к образованию пара во время процесса сварки в замочную скважину. Пытаясь уйти из расплавленного металла, пары цинка могут попасть в затвердевающую сварочную ванну, что приведет к чрезмерной пористости сварного шва.В некоторых случаях пары цинка улетучиваются по мере затвердевания металла, создавая раковины или шероховатость поверхности сварного шва.

При правильном проектировании стыков и выборе параметров лазерного процесса можно легко произвести косметические и механически надежные сварные швы. Как показано ниже, верхняя и нижняя поверхности сварного шва внахлест из нержавеющей стали 304 толщиной 0,6 мм и стали с цинковым покрытием толщиной 0,5 мм не имеют трещин, пористости или раковин.

Верхняя кромка сварного шва внахлест из нержавеющей стали 304 и оцинкованной стали.Показана поверхность из нержавеющей стали.

Нижний валик (задняя сторона) сварного шва внахлест из нержавеющей стали 304 и оцинкованной стали. Показана стальная поверхность.

Решения для сварки волоконным лазером повсюду, и скоро их станет еще больше

Лазерная сварка не должна считаться «нетрадиционной», учитывая множество применений на протяжении многих лет. Теперь, благодаря волоконной лазерной сварке, новые продукты можно найти повсюду — в электронных корпусах, медицинских устройствах, транспортных средствах, которыми мы управляем, в самолетах, в которых мы летаем, в технологическом оборудовании и датчиках.Список почти бесконечен. Большинство ранее существовавших ограничений лазерной сварки больше не существует или их легко преодолеть.

Хотя поначалу сварка волоконным лазером может показаться устрашающей, было неоднократно продемонстрировано, что она позволяет создавать новые продукты со значительным улучшением стоимости, качества и производительности. Поставщики лазерных систем с доступным инженерно-техническим персоналом теперь предоставляют решения «под ключ». Это включает в себя не только машину, но и приспособления и легко обучаемые методы обработки.

Для получения дополнительной информации о сварке волоконным лазером напишите нам по адресу [email protected]

Сварочные процессы | Процесс лазерной сварки

Как работает лазерная сварка?

Все материалы, которые можно сваривать традиционным способом, также обычно можно сваривать с помощью процессов лазерной сварки. Что касается качества, скорости и экономичности, системы лазерной сварки превосходят традиционные процессы для промышленных проектов, что делает оборудование и услуги для лазерной сварки популярным предложением для продажи.В зависимости от интенсивности лазерного излучения лазерная сварка подразделяется на теплопроводную или глубокую сварку.

Теплопроводная сварка

При теплопроводной сварке с помощью оборудования плавится только поверхность детали. В этом процессе лазерной сварки энергия попадает в заготовку только через теплопроводность. Глубина сварки для этого процесса обычно не превышает 2 мм. Лазерный луч плавит соединяемые материалы вдоль стыка. Расплавы перетекают друг в друга, и затвердевший расплав надолго соединяет материалы.Теплопроводная сварка применяется в основном для соединения деталей с тонкими стенками. Гладкий закругленный сварной шов не нуждается в дальнейшей обработке после завершения процесса лазерной сварки.

На этом рисунке вы можете увидеть процесс лазерной сварки в действии

1: Лазерный луч 2: Заготовка 3: Сварной шов

Глубокая сварка

При глубокой сварке энергия также снижается. наносится ниже поверхности заготовки. Он используется, когда требуется большая глубина сварки или когда необходимо сваривать сразу разные слои материала.

На этом рисунке вы можете увидеть процесс глубокой лазерной сварки в действии

1: Лазерный луч 2: Заготовка 3: Сварной шов

Этот процесс отличается высокой эффективностью и высокой степенью сварки. скорости, благодаря чему зона термического влияния мала, а деформация незначительна. Интенсивность лазерного излучения составляет около 1 МВт на квадратный сантиметр. Во время этого процесса лазерный луч плавит материал, а также создает глубокий паровой капилляр (также называемый замочной скважиной) примерно с 1.В 5 раз больше диаметра лазерного луча. Этот паровой капилляр, созданный в процессе лазерной сварки, окружен расплавом.

Паровой капилляр перемещается через заготовку вместе с перемещением лазерного луча по стыку. Небольшой глубокий сварной шов образуется, когда расплав обтекает паровой капилляр и затвердевает в задней части. Лазерный луч направляется глубоко в материал за счет полного отражения в паровой капилляр, так что для стали может быть достигнута глубина сварки до 25 мм.По завершении процесса лазерной сварки глубина сварного шва может быть в 10 раз больше ширины сварного шва.

Каждый из этих сварочных процессов имеет множество практических применений в обрабатывающей промышленности.