Энергия ионизации Ar относительно невысока, а степень ионизации высока. действие лазера, которое не способствует контролю за образованием плазменного облака, будет иметь определенное влияние на эффективное использование лазера, но активность Ar очень мала, и его трудно химизировать с обычными металлами.Реакция и стоимость Ar невысоки, кроме того, плотность Ar больше, что способствует опусканию над сварочной ванной и может лучше защитить сварочную ванну. Так что аргон — ОЧЕНЬ обычный защитный газ.

He имеет самую высокую энергию ионизации и низкую ионизацию под действием лазера. Он может очень хорошо контролировать образование плазменного облака.Таким образом, лазер может хорошо работать с металлом, а активность He очень низкая, и он не вступает в химическую реакцию с металлом. ОЧЕНЬ ХОРОШИЙ газ для защиты сварных швов, но стоимость He, слишком высока, как правило, не используется в продукции массового производства. He обычно используется для научных исследований или продуктов с очень высокой добавленной стоимостью.

Список применений лазера, лазерной резки, сварки и полировки

Что такое лазерная маркировка?

Это процессы, при которых поглощающие поверхности обрабатываются с использованием лазерных лучей высокой интенсивности, но глубина отметки очень мала.Во многих случаях это просто небольшое изменение цвета поверхности, в других случаях тонкая бороздка прорезается на поверхности испаряющимся материалом. Лазер и его положение можно очень точно контролировать с помощью ПК. Преимущества следующие:

• Скорость
• Точность
• Качество
• Повторяемость
• Бесконтактный метод (возможны криволинейные поверхности)
• Постоянство
• Высокое разрешение
• Гибкость (можно легко изменить отметку)
• Рентабельность по сравнению с другими методами маркировки или идентификации

Применяемые стандартные процессы

• Штрих-коды и другие двумерные коды
• Информация о переменных (т.е. серийные номера)
• Логотипы
• Иконки и символы

Что такое лазерная гравировка?

Во время процесса лазерной гравировки материал мишени испаряется лазерным лучом. Для достижения этого результата интенсивность лазерного луча должна превышать определенное пороговое значение.

Эта пороговая интенсивность особенно высока для электропроводящих материалов, таких как металлы. В результате часто получается конусообразная вмятина, на которую влияют профиль лазерного луча и теплопроводность материала мишени.Лазерная гравировка обычно является самым быстрым способом обработки материала.

Что такое лазерная резка?

Лазерная резка — это технология, в которой для резки материалов используется лазер, обычно применяемая в промышленном производстве. Лазерная резка работает, направляя выход высокомощного лазера на разрезаемый материал. Затем материал либо плавится, либо горит, либо испаряется, оставляя кромку с высококачественной обработкой поверхности.

Преимущества лазерной резки перед механической резкой: отсутствие физического контакта, точность, скорость, меньшая вероятность деформации разрезаемого материала, поскольку лазерные системы имеют небольшую зону термического влияния.Некоторые материалы также очень трудно или невозможно разрезать механически, и используется только выбранный лазер.

Что такое лазерное сверление?

Лазерное сверление — это процесс многократного воздействия сфокусированной лазерной энергии на материал, испарение слоя за слоем, пока не будет создано сквозное отверстие. Это то, что называется отверстием с «выталкиванием» или «перкуссией». В зависимости от материала и толщины материала «выскакивающее» отверстие может иметь диаметр до 10 мкм.

Если требуется отверстие большего размера, лазер, проходя сквозь материал, перемещается по отношению к заготовке для формирования контура желаемого диаметра.Это называется «трепанация». Конечным результатом является быстрый и эффективный способ создания качественных отверстий.

Что такое лазерная абляция?

Лазерная абляция — это процесс удаления материала с твердой поверхности путем облучения ее лазерным лучом. При низком лазерном потоке материал нагревается поглощенной лазерной энергией и испаряется. При высокой интенсивности лазера материал обычно превращается в плазму. Обычно лазерная абляция относится к удалению материала с помощью импульсного лазера, но можно удалить материал с помощью непрерывного лазерного луча, если интенсивность лазера достаточно высока.

Обычно место абляции очищается инертным газом под давлением, таким как азот или аргон, поэтому оптическое поглощение и рассеяние падающего лазерного луча может быть уменьшено, включая поверхностный мусор на окружающей рабочей поверхности и / или оптику доставки лазерного луча. . Глубина, на которой поглощается энергия лазера, и, следовательно, количество материала, удаляемого за один лазерный импульс, зависит от оптических свойств материала и длины волны лазера.

Лазерный отжиг

Процесс лазерного отжига основан на создании локальных структурных изменений на поверхности металла с использованием тепла, выделяемого лазерным лучом, сфокусированным на материале мишени.Локализованные структурные изменения определяются максимальной температурой, достигаемой в металле, свойствами металла и параметрами, выбранными на лазере.

Техника отжига имеет уникальную особенность в том, что она дает контрастный след, не нарушая отделки поверхности металла. Потенциальные преимущества процесса лазерного отжига по сравнению с обычным термическим процессом:

• Скорость
• Точность
• Качество
• Повторяемость
• Бесконтактный метод (возможны криволинейные поверхности)
• Постоянство
• Высокое разрешение
• Рентабельность по сравнению с другими методами маркировки или идентификации

Что такое лазерная разметка?

Когда кратковременные импульсы ультрафиолетового лазерного излучения плотно фокусируются на поверхности пластины, каждый импульс поглощается поверхностным слоем субмикронной толщины, который затем испаряется.Испаренный материал уносит энергию взаимодействия, сводя к минимуму передачу тепла окружающему материалу. Этот процесс известен как фотоабляция. Для выполнения глубоких резов требуются сотни последовательных лазерных импульсов. Перемещение пластины под быстро пульсирующим сфокусированным лазерным лучом дает чрезвычайно узкий V-образный вырез, глубина которого регулируется скоростью сканирования.

Обычно эти разрезы заканчиваются на 30–50% толщины пластины. После лазерного скрайбирования пластина ломается с помощью стандартного оборудования для скалывания.V-образные лазерные разрезы действуют как концентраторы напряжений, вызывая хорошо контролируемый разрыв пласта с отличным выходом штампа. Для лазерного скрайбирования требуется эффективная фотоабляция, которая сильно зависит от двух свойств УФ-лазерного света: длины волны и длительности импульса. Как правило, фотоабляция выигрывает от более короткой длины волны лазера и меньшей длительности импульса как по оптическим, так и по тепловым причинам. Ключевые преимущества, достигаемые за счет короткой длительности лазерного импульса, — это повышенная освещенность цели и снижение теплопередачи к подложке из-за более быстрого поглощения и абляции.Для коротких длин волн лазера основными преимуществами являются улучшенное оптическое поглощение, уменьшенная глубина поглощения, меньшая освещенность, необходимая для абляции, и уменьшенная ширина реза. Более короткие длины волн передают больше энергии на фотон.

Для SiC при длинах оптических волн ниже 370 нм энергия фотонов превышает ширину запрещенной зоны материала, что приводит к прямому поглощению фотонов. Однако у сапфира ширина запрещенной зоны выше, чем энергия фотонов любого коммерчески доступного УФ-лазера. Следовательно, для эффективного оптического поглощения требуется многофотонное поглощение.Обычно необходимая освещенность (Вт / см2) для многофотонного поглощения очень высока. Эффективность многофотонного поглощения в сапфире сильно зависит от длины волны. Более короткие волны более полно поглощаются сапфиром, что приводит к меньшему тепловыделению основного материала. Комбинация короткой длины волны и короткой длительности импульса обеспечивает дополнительные преимущества улучшенного поглощения и абляции при более низкой освещенности, уменьшенной теплопередачи к подложке, меньшей ширины среза и большей площади покрытия пятна луча.Эти комбинированные преимущества служат для оптимизации скорости и качества резки. Кроме того, меньшая ширина реза помогает минимизировать поверхностный мусор.

Обычные процессы нарезки кубиками и механической разметки сопряжены с рядом проблем при использовании с чрезвычайно твердыми подложками из SiC и сапфира. Пропускная способность низкая, примерно одна пластина в час на систему. Износ инструмента также является серьезной проблемой; обычно лезвия для нарезки кубиков или алмазные режущие кромки расходуются из расчета по одному на пластину. Кроме того, эти процессы очень чувствительны к плоскостности пластины, и деформированные, выпуклые или изогнутые пластины не могут быть обработаны.Выравнивание срезов также является проблемой. Улицы между кристаллами должны быть большими, чтобы не врезаться в устройства, и это приводит к меньшему количеству кристаллов на пластину, что увеличивает стоимость единицы. Наконец, нарезка кубиками и механическая разметка — трудоемкие процессы. Производительность процесса напрямую зависит от квалификации оператора оборудования.

Что такое лазерное фрезерование?

Лазерное фрезерование включает применение лазерной энергии для послойного удаления материала путем абляции. Программы числового программного управления (ЧПУ) для лазерного фрезерования получаются непосредственно из трехмерной компьютерной модели детали.

Таким образом, лазерный фрезерный станок не только является системой удаления материала, а не системой нарастания материала, он работает так же, как и любое другое технологическое оборудование для многослойного производства.

Лазерная очистка

Лазерная очистка предлагает высокоселективный, надежный и точный метод удаления слоев коррозии, загрязнения, нежелательной краски и других поверхностных покрытий за счет поглощения лазерной энергии.

Процесс лазерной очистки включает в себя лазерный луч с подходящей выбранной длиной волны и энергией лазера, но вместо размещения материала мишени в фокальной точке лазерного луча вводится смещение до такой степени, что для удаления материала не хватает плотности энергии.

Что такое лазерная полировка?

Лазерная полировка — эффективный метод уменьшения шероховатости поверхности материала. Здесь свойства материала могут быть согласованы с использованием соответствующих длин волн лазера и длительности импульса. До сих пор лазерная полировка применялась в основном к неорганическим материалам, таким как металлы (сталь, Ti), полупроводники (Si, GaN), плавленый кварц и алмазоподобные углеродные покрытия.

Лазерная полировка — это новый метод улучшения качества поверхности, обработанной лазером.В нем используются те же принципы работы, что и при лазерном фрезеровании, но вместо того, чтобы располагать целевой материал в фокусе лазерного луча, вводится смещение до такой степени, что не хватает плотности энергии для глубокого удаления материала.

Что такое лазерная сварка?

Лазерная сварка, происходит, когда лазер используется в качестве источника интенсивной энергии для выборочного нагрева материалов до точки между их температурами плавления и испарения. После расплавления материалам позволяют сплавиться, а затем снова затвердеть в контролируемой атмосфере.В результате получается надежная сварка без оксидов. Общий размер и отношение глубины сварного шва к ширине можно настроить индивидуально в зависимости от материалов и выбранного источника лазера. Регулируя различные параметры, такие как энергия лазера и положение фокусной точки, можно создать коэффициент сварного шва в диапазоне от широкого и мелкого до узкого и глубокого. В большинстве случаев это соотношение диктуется геометрией свариваемой детали.

Лазерная сварка имеет ряд преимуществ по сравнению с другими типами сварки: глубокое проплавление точных узких швов, небольшая зона термического влияния, низкое тепловложение, быстрое время сварки, минимальная деформация детали, отсутствие вторичной обработки и высокая воспроизводимость.Можно сваривать многие металлы, включая нержавеющую сталь, углеродистую сталь, титан, алюминий и разнородные металлы.

При определении сварного соединения мы обращаемся как к типу соединения, так и к типу сварного шва. Есть два типа соединения: встык и внахлест. Стыковое соединение — это место, где два материала должны быть сварены в шве, образующемся в месте соединения двух материалов. Соединение внахлест — это соединение двух материалов путем сварки друг с другом. Также существует два типа сварных швов: шовный и точечный. Сварка швов является непрерывной, а точечная — прерывистой.Герметизация стекла и герметизация стекла по металлу также выполняется с помощью лазеров Nd: YAG. Сварка пластмасс лазерами Nd: YAG разрабатывалась в течение некоторого времени и в настоящее время коммерчески выгодна для некоторых пластмасс.

Лазерная резка и лазерная сварка

Лазерная резка

Предлагая услуги лазерной резки и лазерной сварки, Sherwood Prototype, Inc. специализируется на производстве прототипов и небольших серий для различных отраслей промышленности.Наши услуги по лазерной резке и лазерной сварке охватывают такие материалы, как высокопрочные стали, мартенсит и пружинные стали, а также алюминий и латунь. Наш CO2-лазер с летающей оптикой представляет собой 6-осевой агрегат, который может резать материалы толщиной до 0,3125 дюйма и сваривать на глубину 0,118 дюйма с помощью орбитальной или прямой сварки. Лазерная сварка также предлагает преимущества, включая минимальную зону термического влияния и высокую воспроизводимость результатов.

Точность наших процессов лазерной резки и лазерной сварки позволяет нам соблюдать допуски до ± 0.001 «, с максимальным размером детали 72» x 96 «. Мы обслуживаем клиентов из электронной, аэрокосмической, медицинской и автомобильной промышленности, а также ряда других компаний, производящих различные специальные продукты. Пожалуйста, свяжитесь с Sherwood Prototype, Inc. для получения дополнительной информации

Прошлые проекты

Возможности для лазерной резки и лазерной сварки

Общие возможности

Контрактное производство
Custom

Короткосерийное производство
Опытный образец

Тип лазера

CO2 (газообразный)

Конфигурация лазера

Flying Optics

Выходная мощность лазера

1700 Вт

Ось для лазерной резки и лазерной сварки

3-6

Процессы лазерной сварки

Орбитальный
Прямой

Тип стыка для лазерной сварки

Стык

Максимальная глубина лазерной сварки

. 118 в
3 мм

Максимальная толщина лазерной резки

.3125 дюймов
7.937 мм

Максимальная длина лазерной резки и сварки

72 дюйма
1828,8 мм

Максимальная ширина лазерной резки и сварки

96 дюймов
2438,4 мм

Допуск

± 0,001 дюйма
±.025 мм

Предназначенный материал для резки (металл)

Алюминий (только лазерная резка)
Латунь (только лазерная резка)
Углеродистая сталь
Высокопрочные стали

Мартенсит
Пружинная сталь
Нержавеющая сталь

Материал для резки (неметалл, только лазерная резка)

Пластик
Дерево

Характеристики лазерной сварки

Экстремальная точность
Низкая тепловая нагрузка
Минимальные искажения

Зона минимального теплового воздействия (HAZ)
Без наполнителей или флюса
Повторяемые результаты

Объем производства

Максимум 30 000 единиц в год
Опытный образец
Мелкосерийное производство

В центре внимания отрасли

Аэрокосмическая промышленность
Сельское хозяйство
Авто
Электроника

Мебель
Медицинский
Военные / Правительство

Предполагаемое приложение

Устройство
Автомобильные компоненты
Самолет
Квадроцикл (вездеход)

Светильники
Безопасность
Количество мест
Контроль езды

Отраслевые стандарты

AISI
ASTM
Стандарты Chrysler
DIN
Стандарты Ford
Стандарты General Motors

Honda
JIS
Mazda
Мерседес Бенц
Nissan
SAE

Форматы файлов

AutoCAD (DWG, DWZ)
Катя (CATDrawing, CATPart)
DXF
IGES
Pro-E или Pro / Engineer (DRW, PRT, XPR)

SolidWorks (SLDPRT, SLDDRW, SLDDRT)
ШАГ
SurfCam (DSN)
Униграфика (PRT)

Вернуться к началу

Будущее лазерной сварки | Сварка

Нажмите на изображение для увеличения Нестор Гула

От научной фантастики до пола вашего магазина

Поскольку автоматизированная сварка входит в сферу деятельности производственного цеха, вывод ее на новый уровень производительности и надежности означает одно — лазерную сварку.

По словам Дэна Белца, менеджера по продукции для волоконной лазерной сварки (FLW) компании Amada America, сегодня лазером можно сварить практически все, что угодно. «Я говорю строго о сварке волоконным лазером. Наша система действительно имеет короткую длину волны, что позволяет нам сваривать гораздо больше деталей из материала, чем ваши обычные СО2-лазеры ».

В старых системах с CO2 были некоторые проблемы с отражающим материалом, но поставщики их преодолели. «С CO2-лазерами трудно работать с медью и алюминием, потому что они обладают высокой отражающей способностью, а длина волны CO2 плохо сочетается с этими материалами, — говорит Тед Джорин, старший инженер-технолог Lincoln Electric.«Другие лазеры, твердотельные лазеры, часто называют лазерами с длиной волны в один микрон, потому что их несколько в этом диапазоне. Эти лазеры намного лучше атакуют алюминий и медь. Сварка алюминия сегодня обычно выполняется с помощью коротковолновых лазеров. Сварка меди по-прежнему затруднена ».

Лазерная сварка — это будущее сварки в производстве, потому что она лучше всего подходит для сварки новых экзотических материалов и сплавов, которые становятся все более заметными. «Вы создаете механическое соединение, и теперь мы разработали процедуры, с помощью которых мы можем приваривать пластик к металлу, текстурируя металл для создания этих маленьких крючков, очень похожих на липучку, а затем нагревая металл или пластик, заставляя его плавиться вокруг них. крючки, создающие механическое соединение », — говорит Трейси Рыба, менеджер по продукции по лазерам в TRUMPF Inc.«Вы действительно сломаете пластик, прежде чем разорвете связь между ними. Мы делаем это также с некоторыми разнородными материалами, используя некоторые из наших лазеров с высокой пиковой мощностью, где мы можем сплавить алюминий в медь, и это создает механическую связь между двумя частями материала ».

Всего несколько лет назад лазерная сварка ограничивалась тонкими материалами, но сейчас ситуация значительно изменилась. «Ограничение толщины сводится к тому, сколько у вас мощности. Итак, практическое правило — около одного миллиметра на киловатт.Это приблизительные масштабы », — говорит Эрик Миллер, менеджер по развитию бизнеса в лазерной группе Miller Electric Mfg. Co.

Щелкните изображение, чтобы увеличить «Вы можете использовать лист толщиной от 10 до 12 мм, но вам понадобится лазер мощностью 10 кВт, чтобы сваривать его, плюс, при такой толщине вам потребуется ввести присадочный материал». Он говорит, что видел лазерную сварку материала толщиной два и три дюйма с использованием лазера мощностью 50 кВт.

Наполнитель или нет
В общем, существует два способа лазерной сварки: автогенная, без добавления присадочного материала, или гибридная система, которая добавляет присадочный материал, например, при сварке GTAW.В случае автогенных систем настройка имеет решающее значение. «Если вы свариваете соединение, в котором зазор между деталями составляет около четверти миллиметра, большая часть вашей энергии будет проходить прямо через соединение, не перегревая материал. Таким образом, одним из ограничений автогенной сварки является то, что вы должны иметь как можно более близкий контакт с интимными частями », — объясняет Джорин.

При сварке проволокой или с использованием гибридного процесса можно заполнить этот пробел, нацелив проволоку или материал, заполнить пробелы и получить хорошие сварные швы, добавляет Джорин.

Еще одним преимуществом гибридных систем является сварка материалов, которые не свариваются естественным образом. «Как и у многих видов алюминия и некоторых сталей, которые не имеют хорошего содержания углерода, в сварных швах существует вероятность растрескивания, что означает, что они могут быть непригодны для лазерной сварки или даже для сварки в целом», — говорит Рыба. «В зависимости от того, какого минерала не хватает, вы можете ввести дополнительную проволоку в материал, чтобы сбалансировать и добиться хорошего качества сварного шва. Вы обычно видите это в некоторых видах алюминия.”

Сварка шпоночных отверстий обычно выполняется автогенно. «Там, где плотность энергии достаточно высока и свет падает на поверхность, материал испаряется, и сварной шов получается, когда два материала накладываются друг на друга и физически соприкасаются без зазоров, которые нужно закрыть», — объясняет Миллер. через один в другой, и это обычно делается аутогенно. По мере того, как материал становится толще, становится очень трудно выполнить шов с замочным отверстием без чрезмерного разбрызгивания или большой мощности лазера.”

Щелкните изображение, чтобы увеличить Преимущество гибридной сварки состоит в том, что она хорошо подходит для сварки более толстых материалов, хотя недостатком является то, что она усложняет систему.

Некоторые системы объединяют в себе лазерную резку и сварку. «Wayne Trail, компания Lincoln Electric, в течение многих лет производила продукт под названием Flex Lase. И эта машина будет укомплектована герметичным корпусом для лазерного излучения, роботом, каким-то рабочим оборудованием, и мы установим две разные головки для доставки лазерного луча, которые мы могли бы переключать между собой с помощью лазера », — говорит Джорин.«Одна голова предназначена для резки, а другая — для сварки».

Инвестиции
Цена на лазеры упала до такой степени, что многие сварочные мастерские могут начать учитывать их в своих бизнес-стратегиях. «В настоящее время я бы сказал, что лазер не требует больших вложений», — заявляет Рыба. «Это умеренное вложение. Цены на лазеры резко упали за последние пять-десять лет. Если вы посмотрите на лазер мощностью 4 кВт, скажем, восемь или десять лет назад, который является очень распространенным лазером для лазерной сварки, этот лазер будет стоить от 600 000 до 650 000 долларов.В настоящее время лазер мощностью 4 кВт стоит от 150 000 до 180 000 долларов. Итак, это резко упало «.

Отчасти снижение цен связано с тем, что эти твердотельные лазеры представляют собой более простые системы и больше не имеют тех же движущихся частей или зеркал, которые фокусировали лазерный свет. Новые системы проще в установке и обслуживании. «Вы можете сэкономить на всех расходных материалах», — говорит Рыба. «В основном вы меняете воду раз в год. Это ваше обслуживание. Вам не нужно беспокоиться об электродах, наконечниках и обо всем этом, как вы делаете в аппаратах для точечной сварки.При сварке с длиной волны 1 мкм вы устраняете газы гелия или защитные газы, так что в целом у вас намного меньше затрат на расходные материалы.

Щелкните изображение, чтобы увеличить Также, электричество для более старого лазера на 4 кВт будет стоить около 16 или 18 долларов в час, в то время как лазер на CO2 будет стоить около 9 или 10 девять долларов в час. При использовании волоконного или дискового лазера, эффективность которого обычно составляет около 30%, его работа обойдется вам примерно в 1,80 или 2 доллара в час.

«Таким образом, эксплуатационные расходы на лазеры сейчас значительно ниже, чем они были восемь или десять лет назад», — поясняет Рыба.

Лазерная сварка всегда будет более чистой, потому что зона термического воздействия очень мала. «С помощью нашей волоконной лазерной системы мы можем создать и минимизировать или практически полностью исключить любую постобработку, которая является огромной», — говорит Белц. «Наша система сварки волоконным лазером позволяет нам получить почти идеальный косметический шов. Таким образом, постобработка минимальна. В некоторых случаях наши клиенты просто полируют сварные швы. Они ничего не измельчают.

Основная прибыль от инвестиций — это объем производства, который получит компания.

«Например, у нас была установка, на которой мы сваривали топливопроводы для компании, и они пришли к нам с чертежами деталей и годовым объемом производства, которые должны были соответствовать», — объясняет Миллер. «Мы рассматривали проект, и в данном случае альтернативой была роботизированная сварка бочонков. Чтобы достичь производственных показателей, им нужно было купить три роботизированных ячейки. Когда вы смотрите на стоимость этого, это не просто стоимость капитала; для запуска этих трех ячеек им потребуются три оператора.Им также потребуются инструменты для этих трех наборов ячеек. Если вы посмотрите на сравнение стоимости одной лазерной ячейки с одним оператором, один набор инструментов может сделать столько деталей, сколько три ячейки, что потребует трех рабочих и трех полных наборов инструментов для детали. Так что, если объем достаточно высок, лазер может очень быстро обрести смысл с экономической точки зрения ». SMT

Laser Welding LBW: принципы и преимущества

Лазерная сварка — это технология в производстве, при которой два или более куска материала (обычно металла) соединяются вместе с помощью лазерного луча.

Laser стенды для полета L A с расширением S по времени полета E от R .

Это бесконтактный процесс, требующий доступа к зоне сварки с одной стороны свариваемых деталей.

Сварочный шов образуется, когда интенсивный лазерный свет быстро нагревает материал — обычно рассчитывается за миллисекунды.

Лазерный луч представляет собой когерентный (однофазный) свет с одной длиной волны (монохроматический).Лазерный луч имеет малую расходимость и высокое энергосодержание, поэтому при попадании на поверхность будет выделяться тепло.

Основные типы лазеров, используемых при сварке и резке:

• Газовые лазеры : используйте смесь газов, таких как гелий и азот. Есть еще лазеры на CO2 или углекислом газе. В этих лазерах используется слаботочный источник высокого напряжения для возбуждения газовой смеси с помощью лазерной среды. Работают в импульсном или непрерывном режиме.
  В лазерах на диоксиде углерода в качестве среды генерации используется смесь диоксида углерода высокой чистоты с гелием и азотом.CO2-лазеры также используются при двухлучевой лазерной сварке, когда луч разделяется на два луча равной мощности.
• Твердотельные лазеры : (лазеры типа Nd: YAG и рубиновые) работают на длинах волн 1 мкм. Они могут быть импульсными или работать непрерывно. В импульсном режиме получались соединения, подобные точечной сварке, но с полным проплавлением. Энергия импульса составляет от 1 до 100 Дж. Время импульса составляет от 1 до 10 миллисекунд.
• Лазеры диодные

Лазеры используются для материалов, которые трудно сваривать другими методами, для труднодоступных участков и для очень мелких компонентов.Защита от газа Intert необходима для более реактивных материалов.

Обзор

Лазерная сварка (LBW) — это процесс сварки, при котором происходит слияние материалов с теплом, полученным от приложения концентрированного когерентного светового луча, падающего на соединяемые поверхности.

Сфокусированный лазерный луч имеет самую высокую концентрацию энергии среди всех известных источников энергии. Лазерный луч — это источник электромагнитной энергии или света, который может быть направлен без расхождения и может быть сконцентрирован в точном месте.Луч когерентный и одночастотный.

Газы могут излучать когерентное излучение, когда они находятся в оптической резонансной полости. Газовые лазеры могут работать непрерывно, но первоначально только на низких уровнях мощности.

Более поздние разработки позволили охлаждать газы в лазере, чтобы он мог работать непрерывно с более высокой выходной мощностью. Газовые лазеры накачиваются высокочастотными генераторами, которые поднимают атомы газа до достаточно высокого уровня энергии, чтобы вызвать генерацию.В настоящее время используются лазерные системы на диоксиде углерода мощностью 2000 Вт. Системы повышенной мощности также используются для экспериментальных и опытно-конструкторских работ.

Лазер мощностью 6 кВт используется для сварки автомобилей, а лазер мощностью 10 кВт был создан для исследовательских целей. Есть и другие типы лазеров; однако доступный сейчас лазер непрерывного действия на углекислом газе мощностью от 100 до 10 кВт кажется наиболее перспективным для применения в металлообработке.

Когерентный свет, излучаемый лазером, может фокусироваться и отражаться так же, как световой луч.Размер пятна фокусировки контролируется выбором линз и расстоянием от него до основного металла. Пятно может быть от 0,003 дюйма (0,076 мм) до больших площадей в 10 раз больше. Четко сфокусированное пятно используется для сварки и резки. Большое пятно используется для термообработки.

Лазер предлагает источник концентрированной энергии для сварки; однако в настоящее время в производстве используется всего несколько лазеров.

Лазер большой мощности стоит очень дорого. Технология лазерной сварки все еще находится в зачаточном состоянии, поэтому будут совершенствоваться, а стоимость оборудования будет снижена.Недавнее использование волоконно-оптических технологий для переноса лазерного луча к месту сварки может значительно расширить использование лазеров в металлообработке.

Сравнение лазерной сварки и дуговой сварки

Передача энергии при лазерной сварке отличается от процессов дуговой сварки. При лазерной сварке на поглощение энергии материалом влияют многие факторы, такие как тип лазера, плотность падающей мощности и состояние поверхности основного металла.

Выходной сигнал лазера не является электрическим по своей природе и не требует протекания электрического тока.Это устраняет любой эффект магнетизма и не ограничивает процесс только электропроводящими материалами.

Лазеры могут взаимодействовать с любым материалом. Он не требует вакуума и не производит рентгеновские лучи.

Как это работает

• Источник накачки подает энергию в среду, возбуждая лазер, так что электроны, удерживаемые в атомах, временно переходят в более высокие энергетические состояния.
• Электроны, находящиеся в этом возбужденном состоянии, не могут оставаться там бесконечно и опускаться на более низкий энергетический уровень.
• Электрон теряет избыточную энергию, полученную от энергии накачки, испуская фотон. Это называется спонтанным излучением, и фотоны, произведенные этим методом, являются затравкой для генерации лазера.
• Фотоны, испускаемые спонтанным излучением, в конечном итоге сталкиваются с другими электронами в более высоких энергетических состояниях. Входящий фотон «выбивает» электрон из возбужденного состояния на более низкий энергетический уровень, создавая другой фотон. Эти фотоны когерентны, что означает, что они находятся в фазе, имеют одинаковую длину волны и движутся в одном направлении.Процесс, называемый вынужденным излучением.
• Фотоны излучаются во всех направлениях, однако некоторые из них перемещаются по лазерной среде, ударяются о зеркала резонатора и отражаются обратно через среду. Зеркала резонатора определяют преимущественное направление усиления вынужденного излучения. Для того, чтобы произошло усиление, в возбужденном состоянии должен быть больший процент атомов, чем на нижних энергетических уровнях. Эта инверсия населенностей большего количества атомов в возбужденном состоянии приводит к условиям, необходимым для генерации лазера.
• Пятно фокусировки лазера нацелено на свариваемую поверхность заготовки. На поверхности концентрация световой энергии преобразуется в тепловую энергию (тепло). Тепло заставляет поверхность материала плавиться, что проходит через поверхность в результате процесса, называемого поверхностной проводимостью. Уровень энергии пучка поддерживается ниже температуры испарения материала заготовки. Идеальная толщина свариваемых материалов составляет 20 мм. Энергия лазера сконцентрирована, что является преимуществом при работе с материалами, обладающими высокой теплопроводностью.

История лазерной сварки

Эйнштейн впервые постулировал квантово-механические основы лазеров в начале 20 века.

1960 : Первый лазер, называемый рубиновым лазером, был впервые реализован в 1960 году.

1970 : Первые лазеры с высокими рабочими характеристиками были разработаны в 1970-х вместе с разработкой СО2-лазеров. С этого времени области применения источников лазерного луча расширились.

1980-е годы : Лазерная пайка становится популярным способом соединения выводов в электронных компонентах через отверстия в печатных платах.

1987 : Разработан процесс лазерного наплавления порошка

2002 : Компания Linde Gas в Германии исследует диодный лазер, в котором используются технологические газы и «компоненты активного газа», с целью усиления эффекта «проседания» при лазерной сварке. Технологический газ, аргон-CO2, увеличивает скорость сварки и, в случае диодного лазера, поддерживает переход от теплопроводной сварки к глубокой сварке, т. Е. «Замковому шву». Добавление активного газа изменяет направление потока металла в сварочной ванне и обеспечивает более узкий высококачественный сварной шов.

CO2-лазеры используются для сварки полимеров. Институт сварки Эдисона использует сквозные лазеры в диапазоне 230–980 нм для быстрого формирования сварных соединений. Используя карбиды кремния, внедренные в поверхности полимера, лазер способен плавить материал, оставляя почти невидимую линию стыка

Сварка лазером

Демонстрация лазерной сварки:

Лазер можно сравнить с солнечным лучом для сварки.Его можно использовать в воздухе. Луч лазера можно сфокусировать и направить с помощью специальных оптических линз и зеркал. Он может работать на значительном удалении от заготовки.

При использовании лазерного луча для сварки электромагнитное излучение падает на поверхность основного металла с такой концентрацией энергии, что температура поверхности расплавляется паром и расплавляет металл ниже.

Одним из первоначальных вопросов, связанных с использованием лазера, была возможность отражения металла таким образом, чтобы луч отражался, а не нагревал основной металл.Однако было обнаружено, что после того, как металл нагревается до температуры плавления, состояние поверхности практически не влияет.

Расстояние от оптического резонатора до основного металла мало влияет на лазер. Луч лазера когерентный и очень мало расходится. Его можно сфокусировать до нужного размера во время работы с тем же количеством доступной энергии, независимо от того, близко он или далеко.

При лазерной сварке расплавленный металл принимает радиальную форму, аналогичную конвекционной дуговой сварке.Однако, когда плотность мощности поднимается выше определенного порогового уровня, возникает защемление, как при плазменно-дуговой сварке.

Keyholing обеспечивает чрезвычайно глубокое проникновение. Это обеспечивает высокое отношение глубины к ширине. Замочная скважина также сводит к минимуму проблему отражения луча от блестящей поверхности расплавленного металла, поскольку замочная скважина ведет себя как черное тело и поглощает большую часть энергии. В некоторых приложениях инертный газ используется для защиты расплавленного металла от атмосферы.

Возникающий пар металла может вызвать пробой защитного газа и создать плазму в области высокой интенсивности прямо над поверхностью металла.Плазма поглощает энергию лазерного луча и может фактически блокировать луч и уменьшать плавление.

Использование струи инертного газа, направленной вдоль металлической поверхности, устраняет скопление плазмы и защищает поверхность от атмосферы.

Сварочные характеристики лазера и электронного луча аналогичны. Концентрация энергии обоих лучей одинакова, поскольку лазер имеет плотность мощности порядка 106 Вт на квадратный сантиметр. Плотность мощности электронного луча лишь немного больше.Это по сравнению с плотностью тока всего 104 Вт на квадратный сантиметр для дуговой сварки.

При сварке лазерным лучом возникает огромная разница температур между расплавленным металлом и основным металлом, непосредственно прилегающим к сварному шву. Скорость нагрева и охлаждения при лазерной сварке намного выше, чем при дуговой сварке, а зоны термического влияния намного меньше. Высокая скорость охлаждения может вызвать такие проблемы, как растрескивание высокоуглеродистой стали.

Экспериментальные работы с процессом лазерной сварки показывают, что нормальные факторы контролируют сварной шов.Максимальное проникновение происходит, когда луч фокусируется немного ниже поверхности. Проникновение меньше, когда луч сфокусирован на поверхности или глубоко внутри нее. По мере увеличения мощности увеличивается глубина проникновения.

Виды сварных швов

1. Сварка в режиме кондукции
2. Режим проводимости / проникновения
3. Режим проникновения или замочной скважины

Электропроводная сварка

Выполняется при более низких уровнях энергии, образуя широкий и неглубокий сварной шов.Есть два режима:

1. прямой нагрев: тепловой поток регулируется классической теплопроводностью от поверхностного источника тепла. Сварной шов получают путем плавления частей основного материала. Может быть изготовлено с использованием импульсных рубиновых и CO2-лазеров с использованием широкого спектра сплавов и металлов. Также можно использовать Nd: YAD и диодные лазеры.
2. передача энергии: энергия поглощается за счет новых методов межлицевого поглощения. Впитывающие чернила помещаются на стыке соединения внахлестку. Чернила поглощают энергию лазерного луча, которая проходит в окружающий материал ограниченной толщины, образуя расплавленную межлицевую пленку, которая затвердевает по мере сварного соединения.Стыковые швы могут быть выполнены путем направления энергии к линии стыка под углом через материал на одной стороне стыка или с одного конца, если материал обладает высокой пропускной способностью.

Сварка проводимости / проплавлением происходит при средней плотности энергии и приводит к большему провару.

Сварка в режиме «замочная скважина» создает глубокие узкие швы. В этом типе сварки лазерный свет образует нить испаренного материала, известную как «замочная скважина», которая проникает в материал и обеспечивает канал для лазерного света, который эффективно доставляется в материал.

Прямая доставка энергии в материал не зависит от теплопроводности для достижения проникновения, поэтому она сводит к минимуму проникновение тепла в материал и уменьшает зону термического влияния.

Лазерная сварка с проникновением

Лазер формирует отверстие, которое закрывается расплавленным материалом позади лазера. Результат называется сварным швом с каплевидным вырезом.

Металлы, используемые при лазерной сварке

Лазерный луч использовался для сварки:

• Углеродистая сталь
• Алюминий
• Титан
• Сталь низколегированная и нержавеющая
• Никель
• Платина
• Молибден
• Ковар

Лазерные сварные швы, выполненные из этих материалов, по качеству аналогичны сварным швам, выполненным из тех же материалов с помощью электронно-лучевой сварки.

Экспериментальные работы с использованием присадочного металла используются для сварки металлов, которые имеют тенденцию проявлять пористость при сварке EB или LB. Материалы толщиной 1/2 дюйма (12,7 мм) свариваются со скоростью 10,0 дюйма (254,0 мм) в минуту.

Преимущества лазерной сварки

• Без труда работает с высоколегированными металлами
• Можно использовать на открытом воздухе
• Может передаваться на большие расстояния с минимальной потерей мощности
• Узкая зона термического влияния
• Низкая общая тепловая нагрузка
• Сварка разнородных металлов
• Присадочные материалы не требуются
• Вторичная отделка не требуется
• Чрезвычайно точный
• Выполняет глубокие и узкие сварные швы
• Низкая деформация сварных швов
• Высококачественные сварные швы
• Может сваривать небольшие тонкие детали
• Нет контакта с материалами

Ограничения

• Быстрое охлаждение может вызвать растрескивание некоторых металлов
• Высокие капитальные затраты на оборудование
• Оптические поверхности лазера легко повреждаются
• Высокие затраты на техническое обслуживание

Варианты процесса

При лазерной сварке с усиленной дугой дуга от горелки TIG или MIG устанавливается близко к точке взаимодействия лазерного луча.Горелка TIG автоматически зафиксируется на горячей точке, созданной лазером.

Температура, необходимая для этого явления, примерно на 300 ° C выше окружающей температуры. Эффект заключается либо в стабилизации дуги, которая нестабильна из-за ее скорости перемещения, либо в уменьшении сопротивления дуги, которая является стабильной.

Блокировка происходит только для дуг с низким током и, следовательно, с медленной катодной струей для токов менее 80А. Дуга находится на той же стороне заготовки, что и лазер, что позволяет удвоить скорость сварки при небольшом увеличении капитальных затрат.

Робот для лазерной сварки со сваркой MIG:

Двухлучевая лазерная сварка

Если два лазерных луча используются одновременно, есть возможность управлять геометрией сварочной ванны и формой сварного шва. После этого замочная скважина может быть стабилизирована, вызывая меньшее количество волн в сварочной ванне и улучшая проплавление и форму валика.

Комбинация пучка эксимера и CO2-лазера показала улучшенное соединение для сварки материалов с высокой отражательной способностью, таких как алюминий или медь.

Лазерная пайка и пайка

В этом процессе лазерный луч плавит наполнитель, который смачивает края шва, не расплавляя основной материал. Стало более популярным в 1980-х годах присоединиться к лидам электронных досок.

Сертификат

Есть несколько университетов, которые предоставляют сертификаты лазерной сварки, например, Университет Висконсин-Мэдисон. В этом случае предлагается два сертификата:

• LWTSP — аккредитованный сертификат поставщика технической поддержки процесса лазерной сварки для лица, ответственного за настройку, калибровку и операции процесса лазерной сварки
• LWP — аккредитованная профессиональная сертификация по лазерной сварке для тех, кто является основным техническим специалистом, занимающимся проектированием, проектированием и / или управлением лазерной сваркой деталей, сборок или операций.