Алюминий – отличный материал для использования в различных сферах инженерии, от машиностроительного и строительного: он имеет низкую плотность, высокую прочность на изгибе и хорошую тягу, что позволяет избежать разрыва при нагрузке. Часто технические и механики станков для обработки алюминия упоминают об устойчивости к коррозиям, которые являются основой применения специального и дорогого метода обработки алюминиевого сплава. И хотя чаще всего эти утверждения ошибочно оказываются, но все равно применяются по технологическим причинам. Сейчас цивилизация дошла до точки применения лазерной сварки металлов и нужно устранить разногласия в области алюминиевой обработки, чтобы более эффективным образом использовать этот прекрасный материал.
Специфика алюминия и его сплавов
В промышленности используются все основные технологии обработки металлов, и, пока речь идёт о токовой обработке, о сверлении, о фрезеровании алюминия - один из самых лучших в этом отношении материалов. Впрочем, когда речь идет о сварке, физическая и химическая составляющие алюминиевого сплава делают этот процесс дорогостоящим и энергозатратным.
Алюминий, помимо гибкости, тяги, обладает высокой плавкостью - только 660 С. Для обработки давления не требуется больших расходов энергии и подготовки специально обученных сотрудников. Иногда нужно только небольшое общее нагревание, чтобы промышленные заготовки могли создавать практически всё, что угодно, при умеренной давлении 500 Мпа.
Впрочем, сложные детали композита изготовить невозможно этими простыми способами. Металлическая активность делает невозможным обычное газовое или дуговое сваривание - тонкий нагар можно легко удалить, однако его мелкие скобки гарантированно усугубят качество, плотность сварки. К тому же при температуре до 400С алюминия становятся химическими активными и начинают поглощаться легкими атомами и соединениями, начиная с кислорода и заканчивая паровой водой. В расплаве можно поглощать даже инертные гелии, что осложняет использование инертных газовых струй. Это вызывает неоднородность сварочных швов с большим количеством пор, включая оксид алюминий, пузырьки с газом и нагарными осколками.
Еще один значительный недостаток - высокая алюминиевая теплопроводность. В процессе обычного сваривания большинство энергий рассеивается по всем объемам сварных деталей, а локальная температура может не достигать 670С. Вокруг этого участка образуется полоса окиси, которую нужно механически удалить, например струей геля.
Все эти трудности ставят перед собой вопрос о возможности качественного ручного алюминиевого сварки обычным рабочим с помощью газов или дуг.
Единственный способ решения сложившейся ситуации - организовать быстрое и точное локальное нагревание, возможно при помощи инертных струй и аккуратно контролировать температуру в области сварки. Эту задачу эффективно решают промышленные лазеры.
Использование лазерной лампы позволяет в мгновенном режиме определять зону тепла, регулировать мгновенный уровень передачи энергии, а также даже избежать инертных газов. Это объясняется тем, что реакции химических веществ происходят намного медленнее физических процессов. Правильно настроенные лазерные излучения позволяют плавить край деталей на несколько миллиметров, что обеспечивает максимально точную и качественную сварку.
Виды оборудования для проведения лазерной сварки алюминия
В промышленности используются два основных рода когерентные источника света: твердотельный и газовый лазерные источники света. Не менее важным стал лазер волокна. Все они действуют по одному принципу: на рабочем веществе, например искусственном рубине или смеси газов капсулы, воздействуют световые излучения или «накачки», которые приводят к тому, что атомы вещества передвигаются на более высокое энергоуровне. Но энергия такого уровня не может продолжаться долго, так что электроны снимают фотоны, возвращаясь на обычные орбите. В структуру лазера, как правило, входят рабочие вещества двух зеркал: полностью отражают и частичную пропускают. Фотоны, снятые вместе с оси между зеркалом, многократно отражают и накапливают между зеркалом. Когда энергетика достигает определенной степени, фотоны проходят через прозрачную зеркалу.
Хотя эта процедура кажется сложной, она обусловлена жизненным свойством когерентных лучей. Например, для твердотельных лазеров на базе алюминиевого оксида с добавлением хрома можно излучать в виде света только две поглощенные энергии, а для газовых лазеров до 15 энергий. Однако когерентные излучения обладают уникальными свойствами, позволяющими легко управлять ими стандартными оптическими устройствами. Например, лазерный луч, который не может с легкостью раскалывать муравья при обычном солнечном свете, способен расплавлять сталь лазером.
Однако новые технологии могут уступать место твердотельным и газовым лазерам, поскольку уже существует производственная лазерная система с КПД более 70.
Твердотельный лазер
Искусственные рубиновые твердотельные лазеры, изготовленные из оксида алюминия с добавлением солей хрома, имеют специфические особенности в работе. В процессе функционирования они нагреваются, что может привести к искажению оптических характеристик и изменению температуры и плотности кристалла. Отшлифованные торцы кристалла служат в качестве зеркал для лазерного излучения, что также влияет на уровень КПД, который уже невысок по умолчанию. Для эффективной работы необходимо обеспечить качественную систему охлаждения.
Плюсы твердотельных лазеров из рубина включают хорошо удерживаемую длину волны и монохромность излучения, компактность и отсутствие необходимости в сложной оптике. Однако их стоимость высока, а эффективность работы оставляет желать лучшего из-за низкого коэффициента полезного действия.
Газовый лазер
В газовом лазере использование газообразного аналога искусственного рубина происходит в трубке с тщательно обработанными торцевыми зеркалами. В инертном газе содержится примесь атомов с незаполненной внешней орбиталью, которые используются для накачки рабочего тела через электрический разряд, что является более эффективным подходом. КПД такой системы достигает 15%, однако само устройство гораздо более объемное. Для эффективной работы такого лазера также требуется надлежащая система охлаждения, но без излишней сложности.
Плюсы газовых лазеров включают их относительную доступность по цене и неплохую эффективность по сравнению с твердотельными лазерами. Однако они имеют сложную систему зеркал и линз, а также имеют проблемы с "брожением" длины волны, что мешает достижению идеальной фокусировки.
Полупроводниковый лазер
Полупроводниковые лазеры являются самыми эффективными, но в то же время самыми новыми и дорогостоящими видами лазеров. Их принцип работы схож с предыдущими типами, однако в отличие от твердотельных и газовых лазеров, в полупроводниковых атомы сосредоточены на одном микроучастке без разбавления в рабочем теле. Из-за большого количества полупроводниковых пар описать мощность существующих промышленных установок можно с широким разбросом: от 1 до 40 киловатт. Это уже сопоставимо с газовыми моделями.
Плюсы полупроводниковых лазеров - высокая мощность, компактность. Для этого типа лазеров характерен исследуемый вопрос износа рабочей поверхности полупроводника при интенсивных промышленных нагрузках.
Волоконный лазер
Волоконные лазеры представляют собой разновидность твердотельных моделей с добавлением элементов полупроводников. В качестве рабочего тела используется композитное волокно с сердцевиной из оптического кварца, содержащего редкоземельные ионы, что делает их чрезвычайно похожими на рабочий рубин в твердотельных лазерах. Светодиоды с определенной длиной волны используются в качестве ламп накачки, что обеспечивает высокую эффективность и низкую стоимость процесса. Волоконная продолжается световодом с тем же кварцем внутри, минимизируя потери энергии до рабочего наконечника. Особенностью является возможность достижения мощности до 100 кВт при компактных размерах установок.
Световод имеет длину в пределах 20-40 метров, но может достигать и 100 метров. Оболочка оптопроводящего сердечника служит проводником для излучения диодов накачки, обеспечивая дополнительное усиление лазерного излучения по всей длине световода.
Плюсы волоконных лазеров включают высокую мощность, компактность, универсальность, доступность по цене, износостойкость, а также гибкость световода, позволяющая обрабатывать сложные конструкции без привлечения робототехники.
Стоит отметить, что материалы могут оказывать значительное влияние на работу лазерных установок, причем алюминий может вызывать проблемы как на химическом, так и физическом уровнях.
Свойства алюминия
Алюминий является элементом с высокой химической активностью, что делает сложной задачу его сварки. Реакция алюминия с кислородом и водой приводит к образованию тонких и прочных оксидных и гидроксидных пленок на поверхности металла, которые растворимы только в агрессивных кислотах. Будучи активным элементом, алюминий может легко окисляться даже на воздухе, что создает проблемы при сварке.
Сложности связаны также с физическими свойствами алюминия, так как его коэффициент отражения составляет 0,97, что делает его опасным для обработки лазером из-за высокой отражательной способности. Однако, следуя правилам безопасности, возможно безопасно проводить сварочные работы, хотя необходимо быть осторожным с аппаратурой и проведением процесса.
Для сварки алюминия используются различные методы, включая непрерывные и импульсные, стационарные и ручные. Выбор конкретного метода зависит от требований процесса и характеристик деталей, которые необходимо соединить. Понимание химических и физических свойств алюминия играет важную роль в успешной сварке этого материала.
Методы сварки
Сварочные методы можно классифицировать на две основные категории: непрерывные и пульсирующие сварки, учитывая стационарные и «ручные» подходы к процессам.
Непрерывные сварки применяются для соединений толстой и массивной детали. Необходимо правильно нагреть поверхность спаящего места и сохранить плавленный металл для того, чтобы не поглощать влагу и газы из воздуха, а также для того, чтобы не поглощать влагу и газы. Одной из проблем является то, что гелиевые атомы, благодаря их размеру, могут поглощать алюминий, хотя и инертные. Для того чтобы обеспечить качественную сварку, необходимо промывать поверхность шва гелем при избыточной давле.
Импульсный сварочный аппарат, вместе с тем, предназначен для тщательных процедур. Основные проблемы решаются при работе лазера, кроме вопроса о толщине свариваемой детали. При сварке можно отказаться от применения инертных газов, но перед началом работ важно механическое и химобработка поверхностей.
При сварке с помощью импульса короткие и сильные импульсы плавают обе стороны соединенных деталей, быстро кристаллизируя их. Благодаря отсутствию алюминиевого оксида швы получаются идеальными. Важно регулировать глубина прожарки для обеспечения прочного соединения, регулировать импульс для того, чтобы глубина прожарки не превышает 10 толщин свариваемой детали.
Способы ограничения пористости при лазерной сварке
Проблемы, возникающие при сварке легких металлов, являются разнообразными. Однако, при использовании лазерной обработки, практически все эти проблемы устраняются благодаря особенностям этого метода, таким как узкая зона работы, мгновенный нагрев и эффективное отвод тепла. Тем не менее, существует общая проблема, связанная с высокой скоростью операции и неравномерным прогревом металла. Необходимо помнить, что даже при высокой пластичности металлов, они все же имеют кристаллическую структуру, а не являются пластилином. Появление инородных частиц может значительно уменьшить прочность и увеличить хрупкость сварного шва.
Важно отметить, что при приближении температуры плавления, алюминий начинает интенсивно окисляться. Образовавшийся оксид расплавляется при очень высокой температуре порядка +2000°C. Эта хрупкая пленка не только не должна попадать внутрь сварного шва, но и способна эффективно поглощать кислород из окружающей среды, подобно активированному углю.
Если сварные детали изготовлены из алюмо-магниевого сплава, ситуация становится еще более сложной. Магний активно реагирует с водой даже при низкой температуре, а при нагреве начинает еще интенсивнее окисляться под воздействием водяных паров в атмосфере, выделяя водород в структуре металла. Появление микропузырьков газа внутри сварного шва представляет собой серьезную проблему для сварщика. Кроме того, следует учитывать высокий коэффициент температурного расширения алюминия, что может привести к значительной остаточной деформации после термической обработки. Все эти сложности требуют особого внимания и профессионального подхода при сварке легких металлов.
Химия
Химическая обработка является универсальным и эффективным методом подготовки к сварке различных металлических деталей при использовании лазерной технологии. Один из основных аспектов, которые могут негативно отразиться на качестве сварного шва, это наличие примесей, которые могут помешать взаимодействию с кристаллической структурой металла. Для устранения этой проблемы необходимо провести специальную подготовку поверхности деталей. Обычно этот процесс начинается с удаления загрязняющего слоя машинного масла с поверхности заготовок. Затем следует обработка будущих сварных стыков смесью 5% гидроксида натрия и 30%-ной азотной кислоты с добавлением плавиковой кислоты в объеме 2%. После этой процедуры детали тщательно промываются водой, что позволяет эффективно удалять нитраты алюминия и натрия, которые могли образоваться в результате химической обработки.
Важно отметить, что после химической подготовки поверхностей деталей их следует отправить на обработку лазерным лучом в течение трех суток. Однако для более качественной и точной импульсной сварки рекомендуется не откладывать этот процесс на более длительный срок. Химическая обработка является отличным и доступным способом обеспечения прочности сварного шва в общих случаях, но для более сложных и тонких конструкций может потребоваться более тщательный подход.
Режим лазера
Около трех четвертей проблем, связанных с процессом сварки лазером, могут быть решены тщательной настройкой режима работы. Интересным явлением, характерным для алюминия, является его свойство отражать свет при нагреве до температуры 600 градусов Цельсия с коэффициентом 0,97, но затем это свойство резко падает. В то время как таящий металл обладает коэффициентом отражения менее 0,5, что является необычным для металлических расплавов, обычно служащих идеальными отражателями. Расплавленный припой отражает свет не хуже ртути.
Из-за этих особенностей отвода тепла от лазерного излучения к металлу происходит довольно резко. Однако, при правильной настройке импульса, обеспечении необходимого времени для сварки и выключении лазерного луча в нужный момент, медленные химические процессы могут завершиться на стадии поверхностного окисления. Таким образом, образуются идеальные сварные соединения. Однако, в случае передерживания лазерного луча после завершения термического воздействия, есть риск полного порчи сварного шва. Этот метод обработки лазером наилучшим образом подходит для твердотельных и волоконных лазеров, благодаря точной коротковолновой длине их излучения. При использовании газовых лазеров процесс становится более сложным, и трудно обойтись без инертных газов в окружающей среде.
Инертность
Использование гелия и аргона для изоляции сварочного шва от нежелательных воздействий является распространенной практикой, особенно при газовой и дуговой сварке. Несмотря на некоторую громоздкость этих технологий, применение гелия и аргона не вызывает серьезных проблем.
Современные лазерные устройства способны обходиться без продува газом даже при работе с алюминием благодаря точной настройке режимов работы. Однако при использовании твердотельных лазеров в импульсном режиме или газовых лазеров необходимо учитывать следующее: пористость сварного шва при использовании гелия и аргона существенно различается. Удивительным образом, применение гелия приводит к образованию сварного шва в три раза менее качественного, чем при использовании аргона. Кроме того, при продуве газом сложно предсказать процессы, происходящие в небольшой сварочной ванне. Уменьшение расхода газа до 10-12 литров в минуту может привести к образованию пены из расплавленного металла, что усложняет процессы кристаллизации и может привести к нежелательным результатам. Слишком большой поток газа может вызвать его абсорбцию алюминием, что также негативно отразится на качестве сварного шва.
Однако использование азота, который имеет более сложные свойства по сравнению с гелием и аргоном, может привести к улучшению качества сварного шва. Например, за счет температурной абсорбции азота алюминием можно добиться более качественного сварного шва при почти полном отсутствии контроля над процессом. При этом поток азота не только обдувает сварной шов, но также способен очищать его и даже охлаждать сварочный пистолет. Это позволяет достичь хороших результатов при сравнительно невысоких затратах.
Таким образом, импульсный режим работы волоконного лазера в настоящее время является оптимальным выбором для тонких и прочных сварочных работ, особенно если нет необходимости использовать опасные химические вещества и сложное оборудование для инертных газовых сред.
-----------------------------------
Нужен надежный поставщик комплектующих и расходников для сварки?
Компания «PLAZMA ONLINE» основана в 2015 году и на сегодняшний день с достоинством относится к лидирующим компаниям предлагающих широкий спектр услуг в сфере подбора расходных материалов/запчастей для источников сварки, газовой и плазменной резки металла.
Что мы предлагаем?
В онлайн-каталоге представлен широкий ассортимент сертифицированных товаров для:
- Плазменной резки.
- Mig/Mag сварки.
- TIG сварки.
- Газовой резки.
- Электроды и аксессуары.
Приобретая расходники и запчасти в интернет-магазине «PLAZMA ONLINE» вы получаете:
- Оригинальные изделия от крупнейших торговых марок: Hypertherm, Harris, Kjellberg, Deka, ПТК, подтвержденные сертификатами качества.
- Неоригинальные расходники для плазменной, газовой резки и сварки по доступной цене от отечественных и зарубежных изготовителей.
- Возможность не только ознакомиться с онлайн-каталогом, но и купить расходные материалы/запчасти по доступной стоимости для каждого.
- Более привлекательную ценовую политику при каждом последующем заказе.
Компания «PLAZMA ONLINE» высоко ценит потребности своих покупателей, предлагает индивидуальные условия сотрудничества для каждого.
🔥 Наши преимущества – Ваша выгода
- Широкий ассортимент качественных товаров – сотрудничаем только с теми производителями, которые подтвердили качество каждой единицы реализуемого нами товара.
- Индивидуальные программы лояльности и скидки для постоянных покупателей – предлагаем более выгодные предложения при крупнооптовых покупках.
- Доступность в цене – сотрудничество с крупнейшими в Европе и Азии производителями позволяет нам самостоятельно устанавливать стоимость на сервисные услуги. Исключать комиссионные наценки на расходные материалы/запчасти для источников сварки, газовой и плазменной резки металла.
- Удобство – работаем 365 дней в году, без выходных и праздников. Оплата и доставка удобным для клиента способом.
Производим своевременную доставку запчастей, расходников для сварки и плазменной резки металлов на предприятия оборонной промышленности; малые производственные предприятия; торговые компании по РФ, СНГ.
Мы всегда заинтересованы в долгосрочном сотрудничестве, никогда не отказываемся от решения проблем своих покупателей. Тщательно прорабатываем заявки, предоставляем бесплатную консультацию, работаем по долгосрочным договорам и разовым заявкам.
📌 Обратитесь к нашему менеджеру и он поможет вам с выбором, оставьте свою заявку на сайте. Вы можете написать нам на почту или позвонить по телефону +7 (495) 790-33-19