IPG Photonics Corporation

Химический состав материала, конструкция изделия и напряженное состояние — это только несколько факторов, определяющих способ соединения. Лазерная сварка часто является идеальным решением соединения металлов, для которых требуется высокая скорость обработки, низкое тепловложение, низкие поводки и остаточные напряжения. 

Методы сварки металла

Гибридная сварка сочетает лазерную сварку с другими сварочными технологиями, чаще всего с дуговой сваркой плавящимся электродом в инертном газе (MIG).

Кондуктивная сварка схожа с точечной контактной сваркой, однако позволяет перемещение лазерного луча после появления плавильного «болота». Этот метод может использовать как модулируемые, так и импульсные лазеры для создания герметичного по своей структуре сварного шва. Глубина провара шва обычно составляет менее 2 мм.

Лазерная точечная сварка — это бесконтактная технология, использующая лазер для создания одиночной сварочной точки для связки металлов. Когда лазер сфокусирован, подложка поглощает свет, который расплавляет металл. Расплавленный металл течет, затвердевает и создает маленькую сварочную точку. Весь процесс занимает несколько миллисекунд и может быть повторен в зависимости от толщины материала и требуемой прочности соединения.

Сварка с глубоким проплавлением

требует высочайшей плотности энергии для создания лазерного сварного шва. Сфокусированный лазерный луч расплавляет и выпаривает подложку. Давление пара смещает расплавленный металл и создает глубокое и узкое сквозное проплавление. По мере перемещения лазерного луча расплавленный металл обтекает сквозное проплавление и затвердевает, образовывая на своем пути глубокий узкий шов.

Типы металлов

Нержавеющие стали	Углеродистые стали	Золото и серебро	Алюминий
Инструментальные стали	Никелевые сплавы	Латунь и медь	Титан

 

 

Волоконные лазеры сейчас широко используются в сварке разнообразных тонких материалов. Длина волны 1070 нм в ближнем инфракрасном диапазоне спектра имеет определенные преимущества над существующей технологией на базе углекислотных лазеров из-за более низкой отражательной способности металлов на этой длине волны. Это особенно актуально для металлов с высокой отражательной способностью, например алюминия и меди, где высокомощные волоконные лазеры используются для сварки до 15 мм — ранее такую толщину невозможно было достичь при использовании других типов лазеров. Для использования волоконных лазеров с высокой средней мощностью и относительно небольшими размерами пятна для сварки толстых металлов требуется использовать способ, известный как сварка с проплавлением в узкую разделку. Узкая разделка обеспечивает глубокое проплавление и качественный шов на высокой скорости. Это означает меньшую чувствительность к положению фокуса, которая значительно повышает легкость, с которой высокое качество сварных швов может быть достигнуто. Другие примеры волоконной лазерной сварки толстых металлов включают глубокопроникающую сварку толстой стали для судов и трубопроводов.

Лазерная сварка зачастую является идеальным решением соединения металлов, для которых требуется высокая скорость обработки, низкое тепловложение, зона измененной структуры металла и минимальные поводки. За счет хорошего качества пучка волоконных лазеров киловаттного класса в диапазоне от средней до высокой мощности представлен широкий спектр механизмов для лазерной сварки от узким разделки с высоким соотношением ее сторон до сварки малых толщин. Эрбиевые непрерывные волоконные лазеры с низкой и средней мощностью (до 1 кВт) используются для сварки разнообразных тонких листовых материалов толщиной до 1,5 мм на высокой скорости. Эрбиевые непрерывные волоконные лазеры с низкой и средней мощностью возможно фокусировать в маленькие пятна с помощью гальваносканеров и технологических линз с большим фокусным расстоянием, что обеспечивает удаленную лазерную сварку. Существует много преимуществ использования технологических линз с большим фокусным расстоянием и большой степенью центрирования, поскольку это значительно увеличивает рабочую зону. Например, отдельные сварочные станции, оборудованные волоконными лазерами, могут полностью сваривать дверную панель. При использовании роботов швы внахлест могут выполняться на всем корпусе автомобиля. Другие области применения: герметичная сварка аккумуляторных батарей и герметичных уплотнений. Волоконные лазеры квазинепрерывного излучения с модуляцией добротности обеспечивают возможность импульсной лазерной сварки с высокой пиковой и низкой средней мощностью для работы в условиях низкого подвода тепла.  Доставка импульса через волокно обеспечивает легкую интеграцию в обычные прямые оптические сварочные или гальванометрические головки. Для типичной точечной сварки могут использоваться любые из вышеназванных прямых оптических головок для сварки медицинского оборудования, например кардиостимуляторов. Способ доставки излучения на основе гальванометра можно использовать для высокоскоростной точечной сварки корпусов мобильных телефонов и планшетов, бритвенных лезвий или подкапотных автомобильных компонентов.

Лазерная сварка титана, алюминия и других металлов – особенности технологии и оборудования

Лазерная сварка — это технология, в которой основным элементом воздействия на материалы является лазер. Главное достоинство лазера – способность концентрировать большую мощность излучения на единицу площади (1-10МВт/см2), что обеспечивает сварку различных материалов толщиной от нескольких микрон до сантиметров.

Действие лазера

Суть сварки лазером заключается в том, что излучение, проходя через фокусирующую систему, концентрируется в определенной точке. Все, что попадает в эту точку, подвергается сильнейшему термическому воздействию.

Похожие процессы происходят при разжигании огня с помощью лупы. Так как лазерное излучение монохромное и когерентное (с постоянной разностью фаз в пространстве или времени), то используя обычную оптическую линзу можно получить высокую концентрацию энергии на очень маленькой площади.

В месте концентрации луча металл быстро расплавляется. Для формирования сварного шва достаточно убрать лазер или расфокусировать его. Благодаря маленькой области термического воздействия в свариваемом материале практически отсутствуют деформации. Шов получается тонким и не требует дальнейшей обработки.

Типы сварочных аппаратов

Лазерный сварочный аппарат использует импульсное или непрерывное излучение, и может делать швы любого типа. Так как мощность излучателя рассчитана на максимальную толщину свариваемого металла, то при сварке тонких листов (0,05-1 мм) применяется расфокусировка луча.

По типу активного тела лазерное сварочное оборудование бывает с:

• твердотельным лазером;
• газовым;
• газодинамическим лазером.

Импульсный лазерный аппарат производит сварку точечно. Для создания сплошного шва сварные точки наносятся с перекрытием.

Частота импульсов у разных моделей разная, обычно в пределах 4-20 Гц. Скорость сварки доходит до 20 м/час.

Твердотельные лазеры

Основным элементом твердотельного прибора является стержень из рубина или стекла с неодимом, который находится в осветительной камере. Когда в камеру с определенной частотой подается свет большой мощности, то в кристалле (активном теле) происходит возбуждение атомов, что приводит к излучению света одной длины волны.

Торцы стержня из рубина представляют собой отражающие зеркала, одно из них частично прозрачное. Через него происходит выход энергии в виде лазерного излучения.

В стационарных установках кроме собственно лазера и оптической системы фокусировки луча аппарат имеет систему газовой защиты, систему перемещения головки и свариваемого изделия.

Твердотельные приборы имеют относительно небольшую мощность от 1 до 6 кВт. Они применяются в основном в микроэлектронике, приборостроении и ювелирном деле, где приходится приваривать выводы микрочипов толщиной несколько микрон, катоды кинескопов электронно-лучевых трубок или сваривать мелкие элементы на ювелирных изделиях. Используется как точечная сварка.

Газовые лазеры

В газовых лазерных устройствах для сварки активным телом является смесь углекислого газа, азота и гелия.

Газовая смесь из баллонов с помощью насоса продувается через газоразрядную трубку, где с помощью электрических разрядов происходит возбуждение газа. Газогазрядная труба имеет отражающее и прозрачное зеркало по торцам, весь процесс происходит, как в твердотельном лазере.

По сравнению с твердотельными газовые лазеры мощнее, их мощность может превышать 20 кВт. Имеют систему водяного охлаждения. Сварочные аппараты с газовым лазером могут варить толстый металл до 2 см со скоростью 1 м/мин.

Газодинамические лазеры

Газодинамические лазерные устройства самые мощные. Активным телом является окись углерода, нагретая до 3000 ⁰K и пропущенная через сопло Лаваля. На выходе из сопла происходит резкое падение давления и, соответственно, охлаждение газа.

При этом процессе молекулы окиси углерода испускают монохромное излучение. Для повышения мощности в качестве источника накачки применяются дополнительные лазеры.

Такой способ позволяет развивать мощность газодинамического лазера до 100 кВт и более, что позволяет варить металлы толщиной 35 мм со скоростью 200 м/час. Такая производительность недоступна другим видам сварки.

Лазерно-дуговая технология

Гибридная технология совмещает в себе преимущества дуговой и лазерной сварки. Когда нужно сваривать толстые листы металла с большой скоростью и минимальным подводом тепла к сварочной зоне в автоматическом режиме, то для этого потребуется оборудование с лазерно-дуговой сваркой.

За счет быстрого разогрева лазером сварочной ванны улучшается качество шва, его глубина. Это уменьшает напряжения и деформации от возникновения соединительного шва.

Кроме этого приводит к большой скорости сварки, появляется возможность провести сваривание в один проход. Нет жестких требований к соединяемым кромкам. В комбинации с дуговой сваркой обычно используется твердотельный лазер.

Особенности процесса

Благодаря возможности концентрировать огромную энергию на маленькой площади лазерная сварка титана, а также алюминия, нержавейки и других металлов не представляет трудностей.

Для лазерной сварки не требуются особые условия. Она может производиться в окружении обычной атмосферы. Как и при дуговой электросварке требуется защита деталей в точке соединения от влияния воздуха. Для этого применяют инертные газы.

Из-за высокой мощности лазерного луча металл в сварочной ванне начинает кипеть. Пары ионизируются и рассеивают луч лазера. Для борьбы с этой проблемой в зону сваривания стали направлять струю газа подавляющего плазму.

Его роль выполняет гелий, который не рассеивает луч благодаря своей легкости и прозрачности. При одновременной подаче защитного и подавляющего плазму газов струя направляется так, что сдувает плазму с рабочей зоны.

Преимущества и недостатки

Главным достоинством лазерной сварки является регулировка количества энергии в конкретной точке на очень маленькой площади. Это позволяет получать прочные и надежные соединения при работе с мелкими изделиями. Поэтому ее применяют высокоточные производства.

Лазерная сварка может использоваться удаленно от оператора. Известна установка для ремонта стальных трубопроводов находящихся на дне водоема. С помощью вращающихся зеркал лазерный луч доставляется на место назначения, где происходит сварка.

Мощные лазеры могут проваривать толстые металлы при узком шве и минимальном термическом воздействии на соседние слои. Имеют высокую степень автоматизации работ, высокую скорость сварки и отличное качество шва.

Главным недостатком лазерной сварки является высокая стоимость оборудования. Установки имеют низкий КПД (не более 2 %), соответственно высокую стоимость сварочных работ.

Меры безопасности

При работе с лазерной сваркой использование очков обязательно. В стационарных установках должны быть защитные экраны, не позволяющие оператору попасть в рабочую зону лазера. Предусматриваются системы блокировки работы лазера при нарушении рабочей зоны персоналом.

Стены помещения покрываются матовой краской имеющей минимальную отражающую способность. В автоматических системах пульты управления и контроля находятся за пределами рабочего помещения.

Лазерная сварка

Подробности

Подробности

Опубликовано 18.02.2013 08:11

Просмотров: 19272

Почти 20 лет назад, лазерная сварка была в зачаточном состоянии, и использовалась в основном для экзотических применений, где никакой другой процесс сварки не подходил. Сегодня, лазерная сварка является полноценной частью металлообрабатывающей промышленности, вошедшие в производстве сварных швов для общих элементов, таких как зажигалки, часы пружины, двигатель, трансформатор, и многих других. Однако очень немногие инженеры предпочитают использовать лазеры в производстве.

Почему? Есть много причин, но первая потому что не все знакомы с технологией лазерной сварки. Другие причины, такие, как относительно высокая начальная стоимость и обеспокоенность по поводу использования лазеров в производственной среде.

 

Лазерная сварка в машиностроении во времена СССР

 

Лазерная сварка может быть использована вместо стандартной во многих различных процессах, таких как сопротивление (пятно или шов), сварка под флюсом, РФ индукции, высокочастотное сопротивление, ультразвуковые и электронно-лучевые. Хотя каждый из этих методов создала самостоятельную нишу в производстве, универсальный подход лазерной сварки будет работать эффективно и экономично в различных приложениях. Его универсальность позволяют системе сварки, использоваться и для других функций обработки, такие как резка, сверление и герметизация.

В этой статье мы рассмотрим, как лазерная сварка работает, и какие преимущества она может предложить. В некоторых отраслях производства наблюдается значительное использование лазерных станков для резки, сварки и бурения, и их число может достичь 30000 в течение ближайших 15 лет, так как производственные инженеры стали более осведомлены о возможностях лазеров. Большинство лазерных станков, посвящены одной операции или процессу, который включает большие объемы, долгосрочное производство, универсальность, возможность изменять выходную энергию в широком диапазоне, что делает их идеальным для многих производственных операций.

 

Введение

Сварка это процесс нагревания материалов до расплавленного состояния и слития их вместе. Лазеры генерируют световую энергию, которая может всасываться в материалы и преобразуется в тепловую энергию. Используя луч света в видимом или инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра, мы можем передавать эту энергию от источника к материалу с использованием оптики, которая может фокусировать и направлять энергию на очень маленькие, точные точки. Поскольку лазер испускает когерентное излучение, луч энергии имеет минимальные расхождения и может проходить на большие расстояния без существенной потери качества света или энергии.

Что все это означает для производства? Чтобы оценить потенциал использования лазеров в сварочных работах, необходимо пересмотреть некоторые традиционные подходы к эффективности и как она относится к преобразованию энергии. Лазер относительно неэффективный преобразователь электрической энергии в световой поток, с лучшими лазерами достигается лишь от 2 до 15 процентов преобразования энергии, в зависимости от типа используемого лазера. Тем не менее, практически весь световой поток поступает в небольшую точку в несколько тысячных дюйма или меньше.

Следовательно, при применении тепловой энергии на небольших участках, не существует других методов таких эффективных, как лазеры. Эта возможность выборочно применять энергию предлагает некоторые отличительные преимущества в металлургической промышленности и некоторых сварочных работ, но и создает некоторые уникальные проблемы. Так как поверхность нагрева порожденных лазерным излучением опирается на теплопроводность материала для производства сварки, проникновение обычно ограничивается менее 2 миллиметров.

При нагревании пятно лазерного фокуса выше точки кипения, и в металле образуется отверстие. Оно заполнено ионизированным газом и становится эффективным поглотителем, захват около 95 процентов энергии лазерного излучения в цилиндрическом объеме, известный как замочная скважина. Температура в этой замочной скважине может достигать 25000 ° C, что делает такую сварку очень эффективной. Тепло проводится главным образом вниз от поверхности, оно проводится радиально наружу от замочной скважины, образуя расплавленные области. Как лазерный луч перемещается вдоль заготовки, расплавленный металл заполняет замочную скважину и затвердевает с образованием сварного шва. Эта техника позволяет сваривать металлы скоростью несколько сотен сантиметров в минуту или больше, в зависимости от лазерного размера.

 

Процесс лазерной сварки

Вообще, есть два типа лазеров, которые используются для сварки: CO2 и Nd: YAG. В рамках этой статьи мы не будем углубляться в фактическую теорию лазеров, так как наш реальный интерес заключается в манипулировании световым потоком лазера для сварки.

CO2 и Nd: YAG лазеры работают в инфракрасной области электромагнитного спектра излучения, невидимые для человеческого глаза. Nd: YAG предоставляет своим основным выходным свет в ближней инфракрасной области, на длине волны 1,06 мкм. Эта длина волны поглощается достаточно хорошо в проводящих материалах, с типичным коэффициентом отражения от 20 до 30 процентов для большинства металлов. ИК-излучение позволяет использовать стандартную оптику для достижения целенаправленного размеры пятна размером до 0.001 в диаметре.

С другой стороны, дальней инфракрасной (10,6 мкм) длина волны СО2-лазера имеет начальный коэффициент отражения от 80 процентов до 90 процентов для большинства металлов и требует специальной оптики для фокусировки пучка до минимального размера пятна от 0.003, до 0.004 диаметра. Тем не менее, в то время как Nd: YAG лазеров может производить электроэнергию мощностью до 500 Вт, CO2 системы могут легко поставлять 10000 ватт и более.

В результате этих широких различий, два типа лазера обычно используются для различных приложений. Мощные СО2-лазеры могут преодолеть высокий коэффициент отражения, в котором поглощения приближается к нулю. Отражательная способность металла имеет значение только до замочной скважины сварки. Как только поверхность материала в точке фокуса приближается к точке плавления, коэффициент отражения падает в течение 5 микросекунд.

 

Расчеты лазерной сварки

Зная размер сфокусированного пятна можно рассчитать плотность энергии на рабочую поверхность.

Для основного (TEM 00) пучка:

S = (4λ /) × (F / D)

где:

При выполнении сварки лазером, оптика для фокусировки лазерного луча до нужного размера не требуется.

S = ориентированные диаметр пятна

λ = Длина волны лазера

F = фокусное расстояние объективов

D = Диаметр лазерного луча

 

Для многомодового пучка:

S = F · Φ

где:

F = фокусное расстояние объективов

Φ = Дивергенция лазерного луча

 

Если предположить, что свариваемые детали, как полу бесконечно твердые, с постоянным потоком тепла, то распределение температуры в зависимости от глубины в материал рассчитывается так:

T (X, T) = (2E / K) × [(тыс. т /  ) ½ × ехр (-х 2 / 4kt) — (х / 2) ERFC (х / 2 (тыс. т) ½)]

где:

T (X, T) = Температура на расстоянии «х» ниже рабочей поверхности, в то время «т» после начала постоянного ввода тепла

E = постоянный входной поток тепла

K = теплопроводность

к = температура проводимости

х = глубина под поверхностью

T = время после запуска тепла поток

ERFC = бесплатная функция ошибок

и на поверхности (х = 0), повышение температуры будет:

T (X, Т) х = 0 = (2E / K) × (тыс. т /  ) ½

  

Факторы лазерной сварки

Мы уже обсуждали влияние отражения материала на его пригодность. Температуропроводность, упомянутые в приведенном выше расчете, является мерой способности материала проводить тепло. Чем ниже коэффициент диффузии, тем больше тепла остается в непосредственной близости от места лазерного луча.

Металлы с низкой температурой кипения производят большое количество паров металла, которые могут инициировать пробой газа и плазмы в области высокой интенсивности пучка чуть выше поверхности металла. Эта плазма, которая легко поглощает энергию лазера, может блокировать луч, и пузырьки имеют тенденцию к образованию в корне шва. Если вязкость высока, эти пузыри затвердевают в расплавленном металле.

Хотя температура плавления металлов не оказывает существенного влияния на лазерную свариваемость, она должна быть достигнута в ходе начального поглощения энергии. Таким образом материалы с низкой температурой плавления, более подходят для сварки с помощью лазера чем материалы с высокой температура плавления.

 

Металлургические процессы при лазерной сварке

Эффект сварки различных материалов зависит от многих их металлургических свойств (табл. 1), такие как «горячая сила». После того, как лазер проходит, расплав затвердевает, а затем он медленно остывает до той же температуры, что и окружающий материал. Во время охлаждения, создается растягивающее напряжение в зоне сварки. Материалы, которые имеют низкую прочность на растяжение при температурах вблизи точки плавления, обладают свойством, которое часто приводит к появлению трещин в сварных швах.

Кроме того, другие термические преобразования, такие, как мартенситное превращение из высокоуглеродистой стали, также может привести к образованию трещин в районе сварного шва. Чтобы преодолеть эту тенденцию, специальные нужны меры предосторожности. Нижний предел тепла имеет и другие преимущества, такие как возможность использовать приборы, в которых не нужно выдерживать большие тепловые силы расширения или выступающих в качестве радиатора.

Химические реакции, такие как окисление или азотирования, с атмосферными газами при высоких температурах может вызвать проблемы, особенно когда оксидов или других элементов образуются у диссоциации температурах, намного выше точки плавления металла. В результате сварной швов получается хрупкий и пористый. Покрытие зоны сварки с инертным газом, таким как аргон или гелий уменьшает эти реакции в большинстве случаев. Для некоторых материалов, это может быть необходимо для сварки в герметичной камере для предотвращения внешнего загрязнения.

Для сварки алюминия в герметичных пакетах полупроводников, введение кремний-алюминиевых сплавов значительно улучшает сварной шов, обеспечивая температуру застывания значительно ниже, чем у исходного материала.

Для этого конкретного приложения, Симпсон рекомендует тип алюминия 4047, который имеет температуру плавления 1070 ° F до 1080 ° F по сравнению с 1200 ° F температуру плавления 6061 алюминия, используемого для жилищных пакетов. Во время охлаждения, внешний интерфейс остывает быстро.

 

Способы лазерной сварки

Существуют два различных подхода к лазерной сварке. Одним из них является маломощный метод для относительно тонких материалов, а другой является «грубой силой» мощный подход, который обычно включает в себя keyholing. Для стыковой сварки и сварных швов, лазерная энергия подается на стыке материалов, для минимизации входного тепла и искажений и позволяет производить высокую скорость обработки. Тем не менее, эти стыковые соединения должны точно соответствовать, что часто ограничивает применение лазеров в сварке круговых частей.

Для сварки внахлест, допуски для выравнивания швов несколько слабее. Ширина шва является основным критерием. Верхний материал образует большинство из зоны сварки, так что хорошо подходящий к лазерной сварке материал, может быть приварен к менее подходящему, поставив более подходящий материал сверху.

 

В данном видео продемонстрированы возможности современной лазерной сварки.

 

Преимущества лазерной сварки

Многие инженеры читали о технических преимуществах использования лазеров вместо более традиционных методов. Но какие есть экономические обоснования, которые составляют основу большинства производств? Пользователи промышленных лазеров не получают никакой отдачи от пропаганды сокращения расходов с внедрением системы лазерной сварки и даже могут создать конкурентов. Поэтому большинство производителей склонны считать использование лазеров в качестве конфиденциальной информации. Преимущества использования лазеров в сравнении с наиболее популярными методами приведены в таблице 2.

 

Оценки систем лазерной сварки

Как мы уже говорили, используются два типа лазеров для лазерной сварки СО 2 и Nd: YAG и Nd: Glass. Оба типа могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. СО 2-лазеры, которые используют диапазон мощности от 50 до 15000 Вт, являются более эффективными при преобразовании электрической энергии в лазерное излучение, чем Nd: YAG лазеры, которые варьируются от 50 до 800 Вт выходной мощности. Однако, как уже говорилось выше, отражения большинства металлов значительно выше, на CO 2, чем длина волны Nd: YAG длины волны.

Последние достижения в области быстрого осевого СО 2-лазеров обеспечивают улучшенные характеристики излучения, что делает эти системы конкурентоспособными с электронно-лучевой сваркой для глубокого проникновения луча. Быстро спиральные потоки СО-2-лазеров в настоящее время в состоянии производить фундаментальные режимы, которые дают более высокую плотность энергии, подходит для сварки термочувствительных сплавов или материалов, где тепловые искажения являются проблемой.

Медленно-осевые лазеры с улучшенными возможностями импульсной энергии имеют преимущество над быстро осевыми агрегатами, требующими быстрой связи энергии и низким входным теплом. В импульсном режиме, пиковая мощность в несколько раз больше, чем в непрерывном, хотя средняя мощность ниже. Эта пиковая мощность преодолевает отражательную способности поверхности и минимизирует тепловое повреждение окружающего материала.

Твердотельные лазеры (общее название для Nd: YAG, Nd: стекло и аналогичные лазеры), являются предпочтительными для низкой и средней мощности. Они нашли широкое применение в электронной, электротехнической промышленности для точечной сварки и лучевой сварки свинца интегральных схем с тонкой пленкой, соединительных схем.

Одним из аспектов, который может иметь важное значение в оценке лазерной сварки является физический размер оборудования. Твердые лазерные системы сварки являются относительно небольшими по сравнению с CO 2 системами, которые могли бы занимать среднюю комнату, чтобы достичь требуемых высоких степеней. Тем не менее, если вам нужна грубая сила, она может быть направлена на заготовку через оптику.

Для деликатных сварочных работ, таких как сварка нити ламп, твердых сварочных систем используется преимущественно коаксиальная (оптическая) сварка. Которая обеспечивает увеличение коэффициента 40X, и точное место фокуса лазерного луча. Эта функция очень полезна для выравнивания и фокусировки луча, а также заготовке просмотра. Поскольку длина волны Nd: YAG лазер близко к видимому спектру, стандартные линзы могут передавать как лазерный свет, так и изображение заготовки.

В то время как мы обеспечили быстрый теоретический подход к определению ваших потребностей лазера, фактическое применение лазеров требуется часто определять экспериментальным путем. Существует компромисс проникновения сварного луча против скорости движения для любой выходной мощности лазера, в общем, чем выше скорость движения, тем ниже проникновение. Это зависит от материала к материалу и с другими факторами, такими как фокус пучка.

 

Безопасность при лазерной сварке

Лазеры излучают очень концентрированный луч, который может быть видимым или невидимым. В целом большинство лазеров, используемых для сварки, невидимы. Этот луч инфракрасного света может сосредоточиться на кожу или в глаза, если меры предосторожности не соблюдаются. Промышленные лазерные системы полностью заблокированы, чтобы предотвратить любую опасность для оператора. Большинство из них оснащены безопасными устройствами и крышками радиационной безопасности, которые содержат фактические работы лазера, что позволяет людям, работающим поблизости, нормально работать. При правильной конструкции и тщательной предосторожности, лазерные системы, не более опасны, чем другие системы сварки или аналогичные инструменты.

 

Мы широко осветили лазерную сварку, не останавливаясь на каких-либо конкретных приложениях, ознакомили с возможностями этого оборудования. Вместе с робототехникой и компьютерным управлением движения луча или движения детали, системы лазерной сварки предлагают непревзойденную универсальность для выполнения различных операций. Если вы чувствуете, что ваша деятельность может извлечь выгоду из использования лазерной сварки, следует обращаться к надежному производителю систем. Обсуждение ваших конкретных приложений с различными компаниями раскроет возможности их решения с помощью лазеров и позволит вам по-настоящему сравнить этот замечательный инструмент с обычными методами сварки.

 

Лазерная сварка различных металлов (таблица 1)

Материал	Комментарии
Алюминий 1100	Швы хорошие, никаких трещин проблем или преобразований
Алюминий 2219	Нет трещин; присадочный металл не требуется
Алюминий 2024/5052/6061	Требуется присадочный металл из 4047 Al герметичный, без трещин сварных швов
Cu-Zn Brasses	Дегазации цинка препятствует образованию хорошего сварного шва
Бериллий, медь	Сплавы, содержащие более высокий процент, сварку лучше производить за счет более низкой отражательной способности
Медь	Высокий коэффициент отражения может привести к неравномерному увеличению сварных швов; для материала менее 0,01 «толстый, покрытие может улучшить свариваемость
Hastelloy-X	Требует высокого уровня импульса, чтобы предотвратить горячий крекинг
Молибден	Обычная сварка хрупкая; сварных швов может быть приемлемым, где высокая прочность не требуется
Inconel 625	Некоторые тенденции пористости в глубоких швах
Монель	Хорошо пластинчатые сварные швы; хорошее проникновение
Никель	Должны быть очищены; хороший пластичный сварной шов и проникновение
Стали, углеродистая	Хороший сварной шов с содержанием углерода под 0,25%; для большего содержания углерода, может быть хрупким и могут появится трещины
Сталь, оцинкованная	Тяжелые Zn выкипания причины пористости
Стали, 300 нержавеющая	Швы хорошие, за исключением 3030 и 303SE
Стали, 400 нержавеющая	Вообще сваривается несколько хрупкой, может потребоваться до и после сварки термическая обработка
Сталь, 17-4PH нержавеющая	Потребности после сварки: термическая обработка
Тантал	Ковкий сварной шов; требуется особые меры предосторожности против окисления
Титан	Ковкий сварной шов; требуется особые меры предосторожности против окисления
Вольфрам	Хрупкий сварной шов; требует высокой энергии
Цирконий	Ковкий сварной шов; требуется особые меры предосторожности против окисления.

 

 

Преимущества лазерной сварки сравнению с другими процессами (таблица 2)

Конкуренция процессов	Преимущества лазерной сварки
Газовая сварка	Быстрее газовой сварки на порядок, с низким уровнем искажений; нет необходимости в присадочном металле; однопроходной двусторонней сварки
Сварка флюсом	Быстрее обычной сварки; низкий уровень искажений, нет необходимости потока или наполнителя
Контактная сварка	Бесконтактная; необходимо устранить любые посторонние частицы; может быть использована в недоступных местах; более быстрые темпы сварки
Электронный луч	Не должна быть выполнена в вакууме; более короткие циклы; сварных швов магнитных материалов; не требуют радиационной защиты

 

 

Читайте также

Добавить комментарий

Технология лазерной сварки волоконными лазерами соединяет сложные металлы

Метод работает с одномодовыми и многомодовыми волоконными лазерами

Переход к принятию более легких и прочных материалов в повседневной продукции, от автомобилей до бытовой электроники, привел к ряду серьезных проблем при сварке этих конструкций, особенно в условиях больших объемов производства. Примеры в транспортной отрасли включают в себя электрическую транспортную инфраструктуру, где производство батарей часто требует соединения разнородных хорошо отражающих материалов, таких как алюминий и медь.

Еще одним связанным примером является дальнейшее применение высокопрочных сталей, а также алюминиевых и магниевых композитов для снижения веса автомобилей. В бытовой электронике требования к легким конструкциям с высокими индивидуальными тепловыми и электрическими свойствами постоянно вызывают потребность в более сложных конструкциях, часто с использованием тонкой фольги и требующих соединения разнородных металлов, а также алюминия и меди, являющихся сильно отличающимися материалами. Индустрия медицинских устройств также обуславливает необходимость соединения мелких металлических деталей, часто с разнородными материалами.

Рост лазерной сварки продолжается уже более десяти лет, а автомобильная промышленность — самая ранняя по применению  технологии отрасль — первая, кто видит преимущества автоматизированного процесса сварки в сочетании с внутренними преимуществами технологии волоконных лазеров. Однако проблемы лазерной сварки многих из описанных ранее материалов оставались значительными и могли объяснить медленную скорость принятия лазерной сварки в некоторых приложениях.

В последнее время внедрение новой, экономичной и простой в использовании технологии, основанной на технике колебаний  луча, помогает преодолеть некоторые из этих трудностей в сварочных материалах, таких как медь и алюминий, с мощными волоконными лазерами на длине волны 1 мкм. Этот метод помогает преодолевать пористость и проблемы с горячим растрескиванием при лазерной сварке некоторых материалов, помогая тем самым упростить требования к подгонке деталей при сборке в 3-X раза  в некоторых примерах, обсуждаемых в этой статье. Благодаря возможности независимого контроля глубины проплавления, скорости колебания сфокусированного пятна, скорости сварки и ширины шва, техника имеет применение при сварке небольших, чувствительных к температуре узлов (для медицинских деталей), плохо подогнанных  деталей, которые могут иметь затруднения при обычной  лазерной сварке и могут быть косметически привлекательными при  сварке с колебаниями без необходимости последующей обработки.

Технология сварочной головки с колебаниями

РИСУНОК 1 демонстрирует концепцию движения двумерного динамического луча или головки с технологией колебаний, где показаны четыре основные программируемые формы, доступные из стандартной сварочной головки, например, D30 из IPG Photonics. Независимый контроль амплитуды и частоты колебаний достигается с помощью контроллера гальво-зеркал, что обеспечивает большую гибкость в стабилизации расплава канала проплавления в процессе сварки с типичными частотами до 300 Гц, используемыми в большинстве приложений. Мощность обработки коммерческих сварочных головок с колебанием луча теперь доступна до 12 кВт.

РИСУНОК 1. Примеры форм колебаний из имеющихся в продаже сварочных головок с независимой регулируемой амплитудой и частотой до 300 Гц.

Стабильность расплава канала проплавления является критическим фактором, когда лазерная сварка затрудняет использование материалов с высокой отражающей способностью, таких как медь и алюминий. Это отчасти объясняется тенденцией к разбрызгиванию и, в случае некоторых алюминиевых сплавов, демонстрирует высокий уровень пористости из-за вязкости и поверхностного натяжения расплава, что делает эти материалы трудными для сварки с использованием более традиционных методов лазерной сварки. Недавние исследования [1-4] показали уменьшение или устранение этих проблем методом лучевого колебания, включая недавнее систематическое исследование как с использованием, так и без присадочной проволоки на автомобильных алюминиевых сплавах [2].

В целом, метод колебаний позволяет лучше регулировать температуру детали, поскольку луч проходит несколько раз в любой точке сварного шва. Градиент роста температуры и скорости охлаждения медленнее, чем при традиционной лазерной сварке, что помогает устранить дефекты и управлять брызгами. Кроме того, этот метод сварки совместим с типичными сварочными аксессуарами, такими как вспомогательные газовые порты и коаксиальные сопла, которые обеспечивают подавление плазмы и могут помочь контролировать разбрызгивание, которые не могут быть легко совместимы с сканирующими головами, используемыми при дистанционной сварке.

В дополнение к стабилизации расплава канала проплавления и уменьшению пористости в последующем шве метод качания луча оказался ценным для облегчения требований к подгонке деталей для лазерной сварки, как указано в ТАБЛИЦЕ. Используя одну из программируемых фигур (знак бесконечности в этом случае) и оптимизируя амплитуду и частоту колебаний, видно увеличение допустимого зазора шва 3X, которое достигается при обычной лазерной сварке.

ТАБЛИЦА. Краткое описание сварки вобуляционной головкой с колебаниями в окне процесса для зазора шва и смещения, где коэффициент 2-3 увеличения обоих параметров процесса может быть достигнут по сравнению с обычной лазерной сваркой.

Примеры реализации лазерной сварки

Пример качества сварного шва и его однородности, достигаемого с помощью головки с колебаниями, показан на фиг. 2 для сварки алюминия 6061-T6, качество шва, которое было бы невозможно при обычной лазерной сварке. Метод может устранить пост-обработку сварного шва для достижения косметической отделки конечной детали.

РИСУНОК 2. Примеры алюминиевых сварных швов 6061-T6 с использованием метода лучевых колебаний.

При дальнейших проверках уменьшение пористости, связанное с техникой колебаний луча, очевидно (рис. 3), где поперечное сечение сравнивается с обычной лазерной сваркой на алюминии 6061, показывая отсутствие пор при использовании процесса сварки головкой с колебаниями. Сообщалось об аналогичных улучшениях пористости [2, 4] с использованием техники колебаний с объяснением  смешением ванны расплава во время вращения канала проплавления, что происходит при процессе колебаний луча.

РИСУНОК 4. Сварка разнородных металлов, таких как нержавеющая сталь и медь (а), обеспечивается техникой колебаний для управления зоной взаимопроникновения (интерметаллической областью между двумя материалами) (б).

Лазерная сварка разнородных металлов является еще одной сложной технологической областью, где технология  головки с колебаниями обладает значительным потенциалом, таким как сварка нержавеющей стали и меди (РИС. 4а). Плавление и затвердевание интерметаллического слоя можно контролировать с помощью технологии колебаний, чтобы значительно улучшить качество сварки между двумя разнородными металлами, как показано на EDS-изображении на фиг. 4b. В этом сварном шве мы использовали образец кругового колебания, показанный в ТАБЛИЦЕ.

Головка с колебаниями для сварки  меди

Некоторые из проблем, связанных со сваркой меди с использованием лазеров, работающих на 1 мкм, хорошо известны и описаны ранее [1]. В этом исследовании мы использовали одномодовый волоконный лазер и небольшой размер пятна, чтобы увеличить плотность мощности на заготовке и помочь стабилизировать расплав в канале проплавления. Это было подробно изучено при микросварке тонких фольг [5], но эти особенности  применимы к сварке головкой с колебаниями, где мы используем небольшое пятно и более эффективную сварку  с каналом проплавления . По нашему опыту, линейные скорости и общий ввод тепла (мощность от лазера) часто сравнимы с традиционной лазерной сваркой. Как правило, при более низких скоростях взаимодействие  лазера с материалом более неустойчивое  с явным выбросом брызг из канала проплавлениясвязано с  высокой отражательной способностью меди и низкой вязкостью и поверхностным натяжением материала. Тенденция на более высоких скоростях — стабильный сварной шов, обеспечиваемый высокой текучестью и небольшим размером пятна от одномодового волоконного лазера. Однако это происходит за счет уменьшения глубины проплавления окончательного шва.

Технология колебаний — это полезный инструмент для преодоления этих проблем (рис. 5 и 6). Используя амплитудную функцию колебаний, верхняя ширина шва может быть систематически увеличена, а функция частоты колебаний используется для стабилизации канала проплавления. Результаты были получены с использованием одномодового волоконного лазера с одинаковой мощностью, а линейная скорость сварки и мощность лазера поддерживались во всем диапазоне параметров.

РИСУНОК 5. Использование одномодового волоконного лазера с независимым управлением функциями амплитудной и частотной регулировки колебаний позволяет использовать сварные швы на меди.

Технология  головки с колебаниями полностью совместима с многомодовыми волоконными лазерами, и в наших тестах [1] были продемонстрированы медные швы с использованием мощного (5 кВт) волоконного лазера, работающего вместе с головкой с колебаниями. В случае более высоких уровней мощности достигается большая глубина проплавления (до 4 мм в данном случае), и, как и в предыдущем исследовании, дополнительная гибкость процесса, связанная с технологией колебаний луча, используется для управления каналом проплавления и стабилизации расплав во время процесса.

РИСУНОК 6. Поперечные сечения сварных швов меди с использованием метода колебаний и одномодового волоконного лазера.

Алюминиево-медная  сварка для промышленности аккумуляторных батарей является последней заявкой, рассмотренной в этой статье. В этом случае глубина проплавления является критическим параметром для минимизации ширины  интерметаллидной прослойки (в идеале менее 10 мкм), которая может контролироваться скоростью процесса при традиционной лазерной сварке. Однако в случае использования техники  головки с колебаниями у нас есть дополнительная ширина контрольного шва и проникновение через амплитудные и частотные функции на головке с колебаниями.

В нашем исследовании мы видим эффект увеличения амплитуды колебания (от 0,2 до 1,2 мм). Это достигается за счет увеличения ширины сварного шва, минимизации глубины проплавления и последующего улучшения механических свойств сварного шва между элементами алюминия и меди.

Вывод

Трудности, связанные с лазерной сваркой таких материалов, как алюминий и медь с использованием 1 мкм-лазеров, в значительной степени могут быть преодолены за счет использования мощных волоконных лазеров вместе с новейшей двумерной технологией  головки с колебаниями луча для дополнительного управления пучком расплава в канале проплавления во время процесса сварки. В свою очередь, это, как показано, помогает устранить пористость и разбрызгивание, связанные с лазерной сваркой этих материалов с использованием традиционных методов. Дополнительные степени свободы, достигаемые за счет независимой амплитуды и частоты колебаний колебательной головки, в сочетании с высокой мощностью, доступной для волоконного лазера, обеспечивают уровень контроля, необходимый для достижения качественной лазерной сварки в сложных материалах.

Примерами, представленными здесь, являются лазерная сварка сложных материалов, таких как алюминий и медь, а также сварка разнородных материалов, включая контроль области интерметаллического смешивания с технологией колебаний. Кроме того, технология предлагает значительные преимущества в частичной адаптации благодаря увеличенной  толерантности к зазору шва и смещению в исследованиях, сравнивающих головку с колебаниями  с традиционными процессами лазерной сварки. В исследовании также показана пригодность метода как с одномодовыми, так и с многомодовыми мощными волоконными лазерами. Наконец, технология совместима со стандартными сварочными аксессуарами, такими как вспомогательные порты подачи газа и коаксиальные сопла.

Ссылки

[1] T. Hoult et al., «Welding solutions for challenging metals with ytterbium fiber lasers,» ICALEO 2016 presentation, San Diego, CA (Oct. 2016).

[2] G. Barbieri et al., Mater. Sci. Forum, 879, 1057–1062 (2017).

[3] O. Berend et al., «High frequency beam oscillation to increase the process stability during laser welding with high melt pool dynamics,» Proc. ICALEO, 1041, 1032 (2005).

[4] G. Barbieri et al., Procedia Eng., 109, 427–434 (2015).

[5] I. Miyamoto et al., «Precision microwelding of thin metal foil with single-mode fiber laser,» Proc. SPIE, 5063, 297–302 (2003).

Оригинал статьи на английском языке: https://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-32/issue-2/features/fiber-laser-welding-technique-joins-challenging-metals.html

Поделиться ссылкой:

• Нажмите, чтобы поделиться на Twitter (Открывается в новом окне)
• Нажмите здесь, чтобы поделиться контентом на Facebook. (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться в Google+ (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться на LinkedIn (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться в Telegram (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться записями на Pocket (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться в Skype (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться записями на Tumblr (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться в WhatsApp (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться записями на Pinterest (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться на Reddit (Открывается в новом окне)

Похожие записи

Лазерная сварка металла

Темы: Лазерная сварка.

Сварка конкретных металов и сплавов:

Другие страницы по теме Лазерная сварка металла :

Лазерная сварка металла с глубоким проплавлением.

Механизм формирования сварного соединения пpи лазерной сварке металлов c глубоким проплавлением характеризуется наличием парогазового канала, что является принципиальным отличием oт сварки металлов малых толщин. Основныe параметры режимов лазерной сварки металла c глубоким проплавлением : мощность лазерного излучения, скорость сварки, параметры фокусирующей системы.

Мощность излучения в первую очередь определяет проплавляющую способность и характер формирования шва. Наряду с мощностью излучения на процесс сварки влияют и другие характеристики лазерного излучения : модовый состав, поляризация, распределение плотности мощности в сечении луча, расходимость. В связи c этим при переходе от одной модели лазера к другой оптимальное значение мощности для сварки может существенно меняться.

При данном значении мощности скорость сварки устанавливается в следующем диапазоне : минимальное значение ограничено отсутствием кинжального проплавления, а максимальное — плохим формированием шва и появлением дефектов в виде подрезов, пор, непроваров. На качество сварного соединения влияют условия фокусировки лазерного излучения. Для сварки лазерное излучение фокусируется в пятно диаметром 0.5. .. 1,0 мм. Пpи меньшем диаметре пятна повышeнная плотность мощности при водит к значительному перегреву рас плавленного металла шва, интенсификации процессoв испарения металла и вследствиe этого в шве появляются дефекты. Пpи диаметрe сфокусированного лазерного излучения более 1,0 мм снижаетcя эффективность процесса сварки.

Геометрические параметры шва зависят от режима лазерной сварки. Оптимальной для сварки с глубoким проплавлением является кинжальная форма поперечного сечения с коэффициентом формы шва, значительно большим единицы. На параметрах шва также сказывается положение фокальной плоскости относительно поверхности свариваемых деталей. Максимальная глубина проплавления достигается при расположении фокуса под поверхностью материала. Оптимальная величина этого смещения фокуса зависит от свойств материала, толщины деталей и режимов сварки.

Продольное сечение сварочной ванны имеет специфическую форму (рис. 1). Поверхность фронта кристаллизации отличаетcя наличием выступа твердой фазы, котоpый делит ванну на двe характерные части. Нижняя чаcть ванны значительно заглублена и имеeт малую протяженноcть в продольном и поперечном сечeниях, тогда кaк верхняя часть болеe широкая и вытянутa вдоль шва.

Рис. 1. Продольное сечение ванны пpи лазерной сварке.

Анaлиз подобной формы продольного сечения cвидетельствует о нaличии двух процессов проплавления металла пpи лазерной сварке. Первый процесс определяeт эффект глубокого проплавления и зaключается в образовании парогазового канала пpи воздейcтвии лазерного излучения высокой плотности и мощности. Этo условие обеспечиваeт локальное заглубление сварочной ванны в мeсте воздействия лазерного излучения. Вторoй процесс представляет собoй поверхностное плавление за счeт теплопроводностных свойств металла. Преимущественноe развитие того или иногo из указанных процессов определяeт очертание сварочной ванны и зaвисит в первую очередь oт режимов сварки.

Большоe влияние нa проплавляющую способность лазерного излучения оказывaют условия фокусировки. Наряду c оптимизацией фокусируюших систем для дoстижения минимального размера сфокусированного излучения необходимo обращать внимание нa угол сходимости сфокусированного излучения.

Расчет основныx параметров лазерной сварки металла, обеспечивающиx большую производительность вместе c высоким качеством сварного соединения, затруднён сложным характером их взаимосвязи. Пoэтому в основнoм используют экспериментально полученные зависимости, а такдже справочные данные.

Принципиальной особенноcтью лазерного источника нагрева являетcя высокая степень концентрации энергии, oбеспечивающая сварку на повышенных скоростях пo сравнению c дуговыми источниками. Этим достигаетcя незначительное тепловое воздействие нa ОШЗ, высокие скороcти нагрева и охлаждения металла сварных соединений. Данные специфические условия лазерной сварки решающим образом влияют на технологическую прочность, под которой в теории сварочных процессов понимают сопротивляемость металла сварного соединения образованию горячих и холодных трещин. Следует подчеркнуть, что высокопроизводительный процесс лазерной сварки, осуществляемый на скоростях ≥30 мм/с, обеспечивает для большей части конструкционных материалов значительное повышение технологической прочности. Таким образом, лазерный процесс улучшает свариваемость металлов, т.е. достигается возможность получения высококачественных сварных соединений из конструкционных материалов, плохо свариваемых дуговыми источниками теплоты.

Выполнение лазерной сварки на скоростях 25 . . .30 мм /с обеспечивает существенное снижение ( в 3-10 раз) остаточных деформаций по сравнению с традиционными способами дуговой сварки. В следствие малой ширины зоны пластических деформаций при лазерной сварке металла значения сжимающих напряжений в ОШЗ оказываются на 40…70 % ниже, чем при дуговой сварке, и не вызывают трудноустранимых деформаций потери устойчивости листовых элементов. При дуговой сварке потеря устойчивости сварных деталей приводит к искажению формы и размеров листовых элементов и требуются непроизводительные затраты на устранение этих деформаций.

Металл шва при лазерной сварке следует защищать от окисления, используя газовую, флюсовую либо газофлюсовую защиту. Газовая защита осуществляется подачей защитного газа через сопло непосредственно в зону воздействия лазерного излучения на материал подобно дуговой сварке. Специфика лазерной сварки обуславливает применение специальных сопл (рис . 2) и составов защитных газов, обеспечивающих как надежнную защиту, так и эффективное проплавление. На рисунке 2, а — г представлены некоторые варианты конструкций сопл, обеспечивающие наряду с защитой расплавленного металла шва также защиту ОШЗ. При сварке со сквозным проплавлением для ряда высокоактивных металлов требуется также защита корня шва.

Рис. 2. Конструкции защитных сопл.

В качестве защитных при лазерной сварке могут быть использованы те же газы , чтo и при дуговой. Однако следует учитывать их различное влияние на экранирующее действие факела, а значит, и на эффективность проплавления. Газы, имеющие более высокие потенциал ионизации и теплопроводность, обеспечивают максимальную эффективность проплавления.

Качество защиты обеспечивается соответствующим расходом газа. При недостаточном расходе защита шва не эффективна, а излишний расход приводит к несправданным экономическим потерям. Приближенно можно ориентироваться на следующие экспериментально установленные расходы газов, обеспечивающие надлежащую защиту шва, м 3/с: (50 .. .60)10^-5 Не, (15 .. .20) 10^-5 Аr, (45 .. .50) 10^-5 смеси 50 % Не и 50 % Аг .

Наряду с газовой защитой шва при лазерной сварке можно использовать флюсы, причем рекомендуются те же составы, которые используют при дуговой сварке. При лазерной сварке целесообразны флюсы в виде обмазок.

Важным технологическим приемом пpи лазерной сварке с глубоким проплавлениeм является использованиe присадочного материала. Этo даёт возможность регулировать в широких пределаx химический состав шва, обеспечивaя требуемые свойства сварных соединений, иcключить такие дефекты, кaк неравномерность проплавления, горячие трещины, холодные трещины, поры в корне шва, a также снизить требования к точноcти сборки деталей под сварку.

Лазерная сварка металла с присадкой выполняется тeми же приёмами, что и дуговая. Особенность заключается в использовaнии присадочной проволоки малого диаметра (до 1,0 мм) и точнoй подаче её под лазерное излучение c помощью специальных механизмов.

При лазерной сварке с глубоким проплавлением нaиболее распространенными дефектами являютcя неравномерность проплавления корня шва, наличие полостей пo высоте проплава. Увеличениe скорости сварки при несквозном проплавлении приводит к снижению пикообразования в корне шва. Уменьшение пикообразования и пористости в шве достигается отклонением лазерного луча от вертикали на 15. .. 170 по направлению движения луча. При сварке со сквозным про плавлением неравномерность проплава можно устранить выводом проплавления на остающиеся или удаляемые подкладки.

Одним из важных направлeний в разработкe технологии лазерной сварки являетcя повышение эффективности процесса. Перспeктивным представляется использованиe импульсно-периодических режимов сварки. Пpи частоте следования импульсов 0,4.. .1 кГц и при длительности 20 .. .50 мс глубина проплавления может быть увеличена в 3-4 раза пo сравнению с непрерывным режимом . Оценкa термического КПД процесса проплавления пpи сварке показывает, чтo при импульсном воздействии этa величина в 2-3 разa выше, чем пpи непрерывном излучении. Однакo следует учитывать, чтo импульсно-периодическая сварка требуeт точного наведения луча нa стык, высокогo качества подготовки стыкуемых кромок, обеспечивает малую скорость сварки, уступaющую в несколько рaз сварке непрерывным излучением.

Повышениe эффективности сварки непрерывным излучением достигаетcя зa счeт осциллирования сфокусированного лазерного излучения. При этом способе сфокусированный луч периодически заглубляется в сварочную ванну вследствиу колебания фокальной плоскости относительно поверхности образца. Суть этогo способа лазерной сварки состoит в том, что пpи увеличении скорости перемещения фронтa плавления и испарения нa передней стенке канала проплавления глубинa проникания излучения в материaл увеличивается. Повыcить скорость перемещения фронтa плавления и испарения можно увеличением плотности мощности на передней стенке канала. Однако при фиксированном положении фокуса относительно поверхности свариваемых деталей с углублением канала плотность мощности снижается по его высоте, за счет чего и уменьшается скорость перемещения фронтa плавления и испарения в глубине канала. Необходимо создать такие условия, чтобы плотность мощности лазерного излучения оставалась постоянной по глубине канала, способствуя увеличению скорости движения фронта, а следовательно, и глубины проплавления. С этой целью предлагается осциллирование сфокусированного излучения по высоте канала. Для этого используют специальные механические или пьезоэлектрические сканаторы фокусирующей системы (линзы или объектива), обеспечивающие варьирование частоты в диапазоне 0…150 Гц с амплитудой колебания, равной толщине свариваемых деталей.

Осциллирование сфокусированного излучения обеспечивает при сварке больщей части конструкционных материалов (сталей, алюминиевых и титановых сплавов) увеличение глубины проплавления на 40 %. Ширина шва при этом возрастает на ≈30 %, а коэффициент формы шва увеличивается на 10…15%. Одновременно с этим эффектом осциллирование сфокусированного излучения уменьшает колебания глубины проплавления и улучшает формирование шва, в том числе и его внешний вид. Осцилпирование существенно повышает термический КПД: на 60…80 % по сравнению с общепринятой схемой лазерной сварки с неизменным расположением фокуса излучения по отношению к поверхности свариваемых деталей.

Эффективность проплавления можeт быть увеличена подачей непосредственнo в зону сварки дополнительногo потока газа под определeнным давлением. Дополнительный поток влияeт на параметры плазмы в oбласти взаимодействия излучения c материалом и нa гидродинамические процесcы в канале проплавления. Пpи этом в качествe дополнительного одинаково эффективно можнo использовать любой газ : например, аргон обеспечивает тот жe эффект, чтo и гелий. Эффeкт увеличения глубины проплавления достигаетcя пpи оптимальном давлении и расходе дополнительногo газа. Последующее увеличение расхода привoдит к ухудшению формирования шва, пoявлению в нем крупныx пор, раковин. Ещe больший расход газа вызовет выдувание жидкого металла, процесc сварки может перейти в процесc резки.

Разработaн способ лазерной сварки c применением импульсной подачи дополнительногo газа, обеспечивaющий повышение эффективности проплавления пpи сварке. Характер изменeния расхода газа определяет перемещениe плазмы с поверхности изделия вглубь кaнала, а развитие приповерхностной плазмы ограничивается наличиeм постоянной составляющей газового потока. Оптимальнaя частота подачи газа зависит oт мощности лазерного излучения, скорости сварки и свойств свариваемого материала. При этом способе обеспечиваются повышение глубины проплавления на 30. ..40 % и значительная стабилизация проплавления, что является важным фактором, в особенности при сварке с несквозным проплавлением.

Эффективность лазерной сварки можeт быть повышенa совмещением лазерного источника нагрева c другими, менее дорогостoящими источниками теплоты. Ряд исследований выполнeн пo лазерно-дуговой сварке. Суммарный эффeкт проплавления при этом оказываетcя выше, чем сумма эффектoв воздействия каждого источника в oтдельности. При мощности дуги, сопостaвимой с мощностью лазерного излучения, достигаетcя максимальный эффект. В частноcти, скорость сварки при этoм может быть повышена в несколькo раз. Следует отмeтить экономичность лазерно-дуговой сварки пo сравнению с лазерной, так кaк повышение эффективности процесса сварки достигаетcя дополнительным введением относительно дешевогo источника энергии в видe электрической дуги. Необходимo усилить внимание к разработкaм и исследованию процессов сварки, основaнным нa сочетании лазерного источника теплоты c другими — дешевыми и менеe дефицитными. Такое сочетание можeт обеспечить сохранение и усиление пoложительных сторoн лазерного процесса сварки (высокaя степень концентрации энергии, отсутствиe вакуумных камер и дp.) наряду c увеличением энергетической эффективности и улучшениeм технико-экономических показателей.

Повышение эффективности проплавления при лазерной сварке возможно за счет соответствующей подготовки поверхности и кромок свариваемых деталей. Энергетическая эффективность воздействия лазерного излучения увеличивается введением в зону сварки химических элементов, препятствующих ионизации и снижающих тем самым экранирующее действие факела. Этот эффект достигается при нанесении на поверхность свариваемых деталей перед сваркой специальных покрытий, содержащих элементы с низким потенциалом ионизации (калий, натрий).

Специфические особенности протекания процесса лазерной сварки, заключающиеcя в большой концентрации энергии, высокoй скорости сварки, малом объёме сварочной ванны, высокoй скорости кристаллизации металла шва, обеспечивaют возможность сварки в различныx пространственных положениях. Этo существенно расширяет технологические возможноcти процесса лазерной сварки.

Технологические особенности лазерной сварки различных конструкционных материалов.

В настоящее время отработана лазерная сварка металла малых и средних толщин дo 10 мм. Однако широкое применениe лазерной сварки в ряде случаeв сдерживается из-за соображeний экономического характера.

Стоимость технологических лазеров покa еще достаточно высока, чтo требует тщательного выборa области применения лазерной сварки. Перспeктивны для лазерной сварки такие случaи, когда применение традиционныx способов сварки не даёт желаемых результатов или технически невозможно.

 

Лазерная сварка металла

может быть рекомендована к применению в целях:

• получения прецизионной конструкции, формa и размеры которой практически нe должны изменяться в результатe сварки;
• значительного упрощeния технологии изготовления сварных конструкций зa счет выполнения сварки кaк заключительного процесса бeз последующих операций правки либo механической обработки для достижeния требуемой точности;
• существенногo увеличения производительности, так кaк процесс осуществляется на скоростяx ≥35 мм/с, чтo в несколько раз превышаeт скорость наиболее распространенного традиционного способa дуговой сварки;
• сварки крупногабаритных констpукций малой жесткости c труднодоступными швами, при этoм в отличие oт электронно-лучевой сварки нe требуются вакуумные камеры;
• соединeния трудносвариваемых материалов, в тoм числе разнородных.

• < Лазерная сварка — видео
• СО2-лазер >

Лазерная сварка металлов и сплавов

Каждый из видов сварки имеет свои преимущества и области применения.

Аргоновая сварка проводится в среде  инертного газа — аргона. Это максимально надежный метод электрической дуговой сварки, в процессе которого в среде аргона образуется сварочная дуга между кромкой детали и электродом. При этом используются, как плавящиеся, так и неплавящиеся электроды. Аргон поступает через горелку в сварочную ванну автоматически и непрерывно в течение всего процесса.  Он обеспечивает защиту от атмосферного воздействия и тем самым надежно защищает от возникновения дефектов в образующихся сварочных  швов. Аргоновая дуговая сварка дает лучшее качество и прочность из всех прочих методов дуговой сварки.

 

Преимущества данного вида сварки

• Аргон для сварки тяжелее воздуха, поэтому при соблюдении технологии кислород не проникнет в сварочную зону и не вызовет окисления шва.
• Дуга обеспечивает высокую тепловую мощность, поэтому работа проводится быстро и качественно.
• Можно сварить металлы, которые при других типах сварки не соединяются.

 

При сварке полуавтоматом  в качестве плавящегося электрода выступает сварочная проволока, подающаяся в зону сварки. В процессе сварки происходит нагрев обрабатываемых поверхностей, так как между находящимся под напряжением электродом и металлом, в смеси газов и паров образуется электрический разряд. Качество шва улучшается за счет инертного газа, предотвращающего образование окислов. Полуавтоматическим этот метод сварки называется потому, что проволока подается автоматически, а контроль  подачи и, собственно, процесс сваривания осуществляется сварщиком вручную.

Преимуществами  полуавтоматической  сварки по сравнению с ручной дуговой сваркой являются:

• Повышенная производительность и экономичность
• Возможность автоматизации
• В некоторых случаях лучшее качество шва

В конденсаторной сварке генерируется короткий импульс тока, который плавит металл и соединяет детали.  Импульс тока формируется путем разряда конденсаторов за время 1-3 мс.  Короткое время разряда  минимизирует зону термического влияния в сварном соединении. Кроме того, простота дозирования энергии и усилия осадки приводит к стабильно высокому качеству соединений.  Этот метод  эффективно используется  для приварки крепежа.

 

Лазерная сварка имеет ряд неоспоримых преимуществ, которые выделяют ее на фоне других способов соединения  деталей путем плавления.  Особенностью лазерной сварки является то , что  образование сварной ванны осуществляется путем нагрева материала лазерным пятном малых размеров. Формирование  лазерного пятна осуществляется с помощью оптической системы.  Таким образов лазерная сварка  является бесконтактным методом  сварки.

 

Лазерная сварка  позволяет:

• Осуществлять локальное воздействие на материал без перегрева всей поверхности изделия, что сохраняет целостность его форм и ровность линий.
•  Сформировать глубокий провар, без образования наплывов с обратной стороны.
• Реализовать возможность соединения тонких элементов, которая невозможна  в аргоновой сварке;
• Производить сварочные работы на деталях  малых размеров за счет  точной концентрации энергию в определенном месте детали.
• Проплавлять  металл на большую глубину при этом добиваться небольшой ширины шва,
• Реализовать  повышенную скорость  производственного процесса;
• Выполнять сварку в труднодоступных местах

Важным преимуществом лазерной сварки является то, что этот метод легко поддается автоматизации.