Лазерная сварка металлов представляет собой технологию, основанную на тепловом воздействии высокоплотного лазерного луча. Этот лазерный луч расплавляет металл, что позволяет создать прочное сварное соединение. Хотя лазерная сварка используется реже, чем другие техники, она необходима для выполнения работ высокой точности. В статье мы рассмотрим преимущества и недостатки лазерной сварки, а также её применение в различных областях.
Виды лазерных аппаратов и принципы их работы
В современном промышленном производстве, в сфере металлургии и металлообработки, используются три основных типа лазеров: твердотельные, газовые и волоконные.
Твердотельные лазеры представляют собой устройства, в которых в качестве рабочей среды используются кристаллы или легированное стекло, имеющее форму стержня. Квантовые генераторы этого типа создают стабильный лазерный луч с высокой энергетической плотностью в области нагрева, достигающей 1 МВт/см2.
Газовые лазеры основаны на использовании смеси газов в качестве рабочей среды. В состав таких смесей входят углекислый газ, азот и гелий. Основным преимуществом газовых лазеров является высокая мощность, достигающая 20 кВт.
Для сварки крупных деталей с толщиной до 35 мм применяются газодинамические лазеры. Этот тип аппаратов используется в мощных сварочных установках с мощностью до 100 кВт и производительностью до 200 метров в час.
Волоконные иттербиевые лазеры. Эта технология представляет собой передовой подход в области обработки металла. В отличие от других твердотельных лазеров, где луч создается в излучателе и проходит сложную систему зеркал и лазерной головы перед воздействием на поверхность металла, в волоконных лазерах луч генерируется непосредственно в иттербиевых волокнах. Это минимизирует потери мощности и повышает эффективность работы установки. Кроме этого, такие аппараты меньше нагреваются и требуют меньше воды для охлаждения. Например, у газового лазера емкость для жидкости может достигать 500 литров, а волоконному хватает 70 литров.
Преимущества волоконных лазеров:
- Неприхотливость. Они функционируют без необходимости особых условий эксплуатации и не требуют сложного технического обслуживания.
- Компактность. Установку можно разместить в ограниченном пространстве благодаря их малым размерам.
- Высокая надежность. Излучатели редко выходят из строя, и их легче поддерживать в исправном состоянии.
- Отсутствие потерь мощности. Это обеспечивает более высокий коэффициент полезного действия (КПД) - до 70%, что почти вдвое выше, чем у газовых и твердотельных лазеров на кристаллах.
- Доступная стоимость. Иттербиевые волоконные лазеры экономически выгоднее по сравнению с газовыми и твердотельными моделями на кристаллах.
Как работает лазерная сварка
Лазерная сварка включает в себя четыре этапа:
- Фокусировка лазерного луча в сварочной голове при помощи линз или зеркал в точке соединения деталей. Чтобы сварной шов был качественным, важно точно навести луч. В современных роботизированных системах эта функция автоматизирована.
- Нагрев. Благодаря теплопроводности металлы поглощают тепловую энергию лазерного луча и нагреваются.
- Плавление и смешивание. Когда температура в пятне нагрева достигает точки плавления, начинается формирование сварочной ванны, состоящей из расплавленного металла и, в случае некоторых видов металлов, присадок.
- Охлаждение и затвердевание. Когда лазерный луч перестает воздействовать, расплавленный металл остывает и образуется прочный сварной шов, который надежно соединяет детали.
Лазерная сварка проводится под защитой аргона, предотвращая негативное воздействие кислорода из воздуха и образование окислов. При использовании устройств высокой мощности - более 20 кВт - требуется дополнительная подача плазмозащитных газов. Это связано с тем, что интенсивное тепловое излучение таких установок вызывает интенсивное испарение металла в зоне сварки. Пары начинают ионизироваться, образуя облако, которое может рассеивать лазерный луч и снижать его точность. Плазмозащитный газ помогает уменьшить ионизацию металлических частиц, обеспечивая более высокое качество сварного шва.
Плюсы и минусы лазерной сварки
Основное преимущество лазерной резки– высокое качество сварного шва, который выходит ровным и прочным, практически не требуя дополнительной обработки. Лазеры обеспечивают точную дозировку энергии, и за счет этого можно сваривать как толстую сталь, так и мелкие детали вроде тонкой проволоки.
Еще плюсы лазерной сварки:
- Узкая ширина сварного шва при большой толщине металла сокращает область нагрева, уменьшает риск деформаций и концентраторов напряжений в местах стыка.
- Возможность сваривать конструкции на удалении от генератора лазерного луча, например, подводные трубопроводы, используя специальные установки, при этом не поднимая конструкцию на поверхность.
- Легкость управления лазерным лучом с использованием линз и зеркал, что делает метод идеальным для соединения деталей в труднодоступных местах. А еще можно сваривать несколько изделий с помощью одного лазера и призм, которые расщепляют лазерный луч.
- Не требуется предварительная подготовка кромок, что сокращает время и экономит время.
- Автоматизация процесса с использованием сварочных роботов на поточном производстве, это экономит ресурсы и повышает производительность.
- Можно сваривать детали из разных металлов, например, латуни и нержавеющей стали.
- Низкий уровень шума в работе лазерных установок, что не требует дополнительной защиты слуха для операторов.
Тем не менее, у этой технологии есть и свои недостатки. В первую очередь, это низкий КПД лазерных аппаратов по сравнению с другими видами сварки. Однако, у оптоволоконных лазеров эта проблема успешно решена. Стоимость высокомощных газовых и твердотельных аппаратов остается высокой для аппаратов мощностью свыше 6 кВт. Модели волоконного типа становятся более доступными и не требуют дорогостоящих систем зеркал и больших емкостей для воды.
Рассказать про все особенности сварочного оборудования для вашего производства могут специалисты компании “Технограв” - генерального партнера №1 по поставкам лазерного промышленного оборудования SENFENG в России.
