Лазерная сварка алюминия

Общая информация

Лазерный сварочный аппарат назван так, поскольку для соединения металлов используется лазер. Он выступает в роли источника энергии, нагревая и плавя металлическую заготовку. С помощью лазера можно соединять даже разнородные металлы. Сварка лазером часто используется в радиоэлектронике, поскольку позволяет выполнять даже самые мелкие работы.

Существует три разновидности сварки лазером:

  • Микросварка лазером (глубина проплавления металла не превышает 100 мкм);
  • Минисварка лазером (глубина проплавления находится в пределах 0.1-1 мм);
  • Маркосварка лазером (глубина проплавления металла от 1 мм и более).

Приведем более детальное описание технологии, чтобы вы лучше понимали суть лазерных аппаратов. Аппарат генерирует лазерный луч, который направляется в специальную систему фокусировки, где излучение сужается в пучок меньшего диаметра.

После сужения лазерный луч направляется на металлическую заготовку. Там излучение частично проникает внутрь металла, но и частично отражается от него. В месте, где излучение поглотилось, металл начинает нагреваться и плавиться. Если производится работа с очень тонким металлом, то луч наоборот необходимо немного расфокусировать.

Как видите, технология проста и понятна. Но для ее осуществления необходимы технологичные дорогие аппараты. Сварка лазером может быть частичной или сквозной, пространственное положение шва не играет никакой роли. Это значит, что вы можете сформировать соединение в любом пространственном положении и не испытаете при этом трудностей.

Иногда сварка производится в сочетании с присадочными материалами. Это может быть проволока, порошок или специальная лента.

Достоинства и недостатки

У лазерной технологии есть несколько ключевых достоинств, которые позволяют ей быть востребованной. Прежде всего, отметим высокую точность выполнения работ. Как уже говорилось выше, возможна сварка даже самых тонких заготовок. При этом металл не деформируется и не нуждается в дополнительной механической обработке.

Второе достоинство — это высокая скорость работы. Лазерные установки способны варить до 100 метров шва в час. Тогда как классическая ручная дуговая сварка позволяет сварить до 15 метров шва за час, с учетом постоянной смены электродов. И все это при сварке стального листа толщиной до 20 мм.

Также лазерный метод очень экологичный. На многих предприятиях остро стоит вопрос экологии, и в данном случае традиционные методы сварки проигрывают, поскольку в ходе той же РДС сварки образуется много отходов в виде огарков. И их нужно как-то утилизировать.

У лазерных аппаратов всего один недостаток, но он очень существенный. И во многом благодаря ему лазерный метод не завоевал большую популярность.

Лазерная технология проста в теории, но на деле для ее осуществления необходимы высокотехнологичные аппараты.  На данный момент оборудование для лазерной сварки стоит очень и очень дорого. Поэтому его применяют только при мелких работах, где важна точность. На крупных производствах предпочитают контактную сварку, полуавтоматическую или ручную дуговую.

Используемое оборудование и процесс сварки

Установки, позволяющие варить лучом усиленного света, независимо от размеров оборудования, бывают двух типов: твердотельные и с использованием газа. Их принцип работы с металлом похож, но отличаются способы преобразования света в энергию. Разнятся они и по КПД, что влияет на их применение в жизни.

Твердотельные установки

На видео можно заметить, что одни аппараты варят лазером беспрерывно, а другие импульсно. Первый вид сварки выполняется устройствами, в основе которых находится твердый стержень. Часто используют розовый рубин. При пропуске света через который ионы высвобождают свой запас энергии. Концы стержня напыляются серебром, которое активно отражает свет. В результате такого зеркального эффекта ионы направляются по спирали, вокруг стержня. Их движение закручивается и к нему продолжают подключаться новые ионы. Преобразованный свет с усиленной энергией проходит через ряд стекол и фокусируется линзой в пучок. Головка аппарата направляет этот луч на свариваемые поверхности. Подача лазера ведется непрерывно, что позволяет сваривать тонкие элементы. Но для соединения более толстых деталей требуется концентрация энергии. Поэтому были изобретены другие установки.

Газовые аппараты

Для сварки лазером, где требуется глубокая проплавка, разработали альтернативный способ преобразования света. Первоначальным источником в них служит трубка с газом. С каждой стороны резервуар закрыт зеркалами. Находящиеся внутри электроды производят разряд, который высвобождает электроны в газе. Происходит копирование фотонов с усилением энергии атомов. Линзы направляют поток света на изделие. Подача напряжения импульсом содействует максимальной концентрации энергии на выходе. Благодаря этому возможна сварка металлов толщиной до 10 мм.

Гибридные установки

Чтобы проводить сваривание толстых деталей и изделий с зазором, требуется дополнительный присадочный материал. Для этого используют подачу проволоки, которая зажигает электрическую дугу. Это позволяет заполнить пространство между пластинами и создать высокий сварочный шов. Ванна защищается обдувом инертного газа через закрепленное рядом с лазерной головкой сопло. На видео заметно, что процесс осуществляется очень слажено: проволока плавится по линии соединения, а лазер формирует из нее шов.

Сварка лазерными установками выполняется на столе или подставках от аппарата, в следующей последовательности:

металл важно очистить от окалин, масла или воды;
детали необходимо подогнать в стык плотно;
выполняется химическое травление металла;
головка аппарата подносится к линии начала соединения и запускается кнопка;
требуется постоянное слежение за попаданием луча в зону стыка.

Сваривание усиленной и преобразованной световой энергией позволяет получать прочные и красивые швы, что особенно важно на тонких металлических изделиях. При этом обеспечивается высокая скорость работы и безопасность сварщика

Именно поэтому данный вид сварки получил широкое применение в промышленности и ремонтных мастерских.

Особенности сварки алюминия

Особенности сварки алюминия, относятся к созданию определенных условий для работы с этим металлом.

Все способы сварки алюминия не могут производиться в грязном цеху, а только в том помещении, где нет большого количества пыли. Также при средней температуре воздуха 18 – 22 градусов по Цельсию и, где относительная влажность на уровне 70 %.

Метод проведения работ:

  • Оксидная пленка на поверхности алюминия, начнет плавиться только при температуре выше 2000 градусов.
  • Учитывая, что теплопроводность этого металла одна из самых высоких, сварка алюминия электродом должна вестись короткой дугой и при большой мощности. Перед началом работы электроды нужно просушить.
  • Использование сварочного оборудования для сварки алюминия должно учитывать, что при высокой теплопроводности, металл имеет низкую температуру плавления, а значит его легко можно прожечь насквозь.
  • При любом методе сварки алюминия, в конце работы на готовом шве образуется кратер. Его заварка требует особого умения.

Дабы избежать лишних проблем, сварка по алюминию должна быть тщательно подготовлена. Выбор скорости сварки должен быть в пользу более быстрой. Работу одним электродом нужно проводить беспрерывно.

Наиболее приемлемой является технология сварки алюминия, где вначале используется химический способ обработки поверхностей. Так что без обезжиривания металла и электродов, процесс лучше и не начинать.

А чтобы действие такого пилинга было более эффективным, перед обработкой металла, его можно тщательно зачистить щеткой.

Виды сварки алюминия

Методы сварки алюминия могут проводиться с использование разного оборудования и различных приспособлений. Каждый из них обладает некоторые отличительными особенностями, от которых может зависеть качество и вид шва. Но чтобы в итоге получить качественное и прочное изделие требуется соблюдать все правила и нормы сварочного процесса.

К самым популярным и распространенным способам сварки алюминиевых конструкций относятся:

  • сварочный процесс, который выполняется в среде инертных газов. Для его проведения применяется вольфрамовый электрод;
  • полуавтоматическая сварка с использованием защитной среды из газов. Для ее выполнения применяется специальная присадочная проволока, которая подается в автоматизированном режиме (DC MIG);
  • сварка, во время которой используются электроды с покрытием из специального состава.

Рассматривая главные способы сварки алюминия, стоит особое внимание уделить их особенностям. В любом случае основной целью при каждом методе сваривания будет разрушение оксидной пленки, которая формируется на поверхности металла

Обычно для этого используется электрический постоянный ток с обратной полярностью

Важно добиться эффекта катодного распыления, при помощи которого будет проведено разрушение пленки с тугоплавкой структурой

Технология лазерной сварки

Соединение деталей из нержавейки с легкостью осуществляется аргоновой сваркой или полуавтоматами. Однако в задачах формирования швов на достаточно тонком металле отмеченные методы оказываются малоэффективными. Высокая температура, возникающая в аргоновой сварке, способна попросту расплавить изделие или же деформировать его.

В данном случае наиболее эффективной является лазерная сварка металлов. С ее помощью удается сформировать тонкий шов, а дефекты, связанные с действием температуры, будут минимальны.

Итак, каков же принцип работы и в чем преимущества лазерной технологии?

Суть метода заключается в расплавлении тонких кромок металла с помощью лазера. Он формируется посредством испускания фотонов атомами. Такое явление называется индуцированным излучением.

Полученный световой поток позволяет плавить кромки материала и соединять их между собой. Кроме того свечение можно подавать в зону сварки импульсно с высокой энергией или же постоянно с меньшей силой воздействия.

Фокусировка излучения осуществляется с использованием специальной оптики. Сварочные работы по этой технологии можно проводить как с применением присадочного материала, так и без него.

В гибридных версиях сварки присадочная проволока может также создавать дугу, расплавляющую ее кончик. Световой пучок, в свою очередь, будет укладывать расплавленный присадочный материал в шов.

Обычно сварочную ванну защищают инертным газом. В этих целях применяется гелий или аргон. Однако тут есть и некоторые особенности. Взаимодействие лазера с металлом приводит к его нагреву и испарению. В результате луч может экранироваться и преломляться.

Избежать подобной ситуации позволяет гелий. Газ принудительно поступает к сварному соединению, снижая испарение металла.

Технология лазерной сварки.

Данная технология нашла широкое применение в различных отраслях промышленности и производства. Она используется для соединения изделий из алюминия, титана, меди лазером. Сфокусированный луч позволяет расплавлять кромки деталей толщиной от 0,1 мм до 10 мм.

Благодаря возможности формирования тонких аккуратных швов эта технология получила широкое распространение в ремонте ювелирных изделий и оправ очков. В этих целях используются специальные малогабаритные настольные установки.

Место воздействия пучка в оборудовании отмечено точкой, под которую мастер подносит соединяемые детали и включает прибор. В результате происходит точечная сварка.

В промышленных целях метод используется в соединении различных деталей машин и коррозионно-устойчивых труб. Для отмеченных задач делают специальные большие приборы, которые монтируются на кронштейнах.

В случае необходимости создания шва на круглых изделиях, они вращаются с помощью специального оборудования во время сварки.

Данная технология сварки имеет ряд преимуществ. Благодаря им она выделяется на фоне других методов.

К основным достоинствам следует отнести следующие:

  • возможность получения узкого и высокого шва, чего невозможно добиться полуавтоматами;
  • глубокий провар без наплывов с другой стороны изделия;
  • маленькая область взаимодействия света с деталью позволяет ей не перегреваться во время сварки, что исключает появления дефектов, связанных с термическим воздействием;
  • высокая скорость работы и производительность;
  • возможность соединения тонких деталей;
  • безопасность;
  • простота использования.

К недостаткам метода следует отнести его высокую стоимость. В связи с этим данная технология оказывается наиболее эффективной на производстве, где она достаточно быстро окупается.

Технология лазерной сварки

Сварка сталей

Качество сварки и надёжность сварных соединений, выполняемых лазером, сильно
зависят от качества сборки деталей под сварку. Требуемая точность сборки обеспечивается
мех. обработкой сварных кромок на металлорежущих станках.

Поверхность свариваемых кромок необходимо очистить от загрязнений и от влаги,
чтобы исключить образование дефектов
в сварном шве, и в
зоне термического влияния. В частности, пористости и оксидных соединений,
а также образования холодных трещин при сварке из-за переизбытка водорода. При
этом необходимо зачищать не только сварные кромки, но и близлежащие к ним участки
на 10-15мм выше и ниже сварных кромок.

Зазор между сварными кромками и перекос должны быть сведены к минимуму. Рекомендуемая
величина зазора – не более 5-7% от свариваемой толщины. Прихватки при сборке
не рекомендуются, но, в случае крайней необходимости они должны выполняться
лазером. Предпочтительное соединение для сварки стыковое. Нахлёсточные и замковые
соединения не рекомендуются из-за повышенной чувствительности к концентраторам
напряжений.

Сварку следует вести в среде аргона с углекислым газом, в соотношении 3:1,
или в среде гелия с аргоном в соотношении 2:1. В некоторых случаях, при
сварке низкоуглеродистых сталей допустима сварка без газовой защиты. Наиболее
характерные режимы лазерной сварки сталей представлены в таблице:

Указанные в таблице режимы рекомендуются для
сварки стыковых соединений, но их можно применять и для
сварки угловых швов, тавровых и других видов соединений.

Сварка алюминиевых и магниевых сплавов

Сварка
алюминия, магния и их сплавов усложняется тем, что это активные металлы,
и они хорошо взаимодействуют с окружающей средой и испаряющимися легирующими
элементами сплавов. Кроме этого, трудности представляет оксидная плёнка, которой
покрыты поверхности сварных кромок. Но, эти трудности могут быть устранены использованием
концентрированной подачи энергии в виде лазерного или электронного луча.

Подготовка сварных кромок происходит также тщательно, как и для дуговой сварки
и она включает в себя мех. обработку с травлением, промывкой в горячей воде
и зачисткой шабером непосредственно перед самим процессом сварки, чтобы на сварных
участках не успели образоваться оксидные плёнки.

Сварку проводят в среде защитных газов. В качестве защитных газов применяют
гелий, либо аргон. Оптимальные режимы лазерной сварки алюминиевых сплавов представлены
в таблице ниже:

Сварные швы при сварке магния и его сплавов, образованные лазерным лучом, хорошо
формируются и не провисают при сварке на весу. Это позволяет процесс сварки
вести без применения специальных подкладок, в отличии от дуговой сварки, что
значительно упрощает технологию изготовления изделий. Наиболее актуально это
в случае изготовления крупногабаритных конструкций. Оптимальные режимы сварки
некоторых материалов на основе магния представлены в таблице ниже:

Механические свойства сварных соединений алюминия и магния, выполненных лазерным
лучом, не уступают механическим свойствам основного металла, при соблюдении
технологии сварки.

Сварка титана и титановых сплавов

При
сварке титана
и титановых сплавов основными трудностями являются высокая
активность металла при высоких температурах, склонность к росту зерна при нагреве
свыше 300°C и склонность к образованию холодных трещин при сварке в случае повышения
содержания водорода в металле шва и зоны термического влияния.

Подготовка кромок ведётся механической обработкой, или дробеструйной, или пескоструйной
с последующим химическим травлением, осветлением и промывкой. Большое влияние
на качество шва оказывает газовая защита зоны сварки и остывающей поверхности
сварного шва и околошовной зоны. Для защиты в зоне воздействия лазерного луча
используют гелий высокой чистоты, а для защиты остывающих участков возможно
применение аргона повышенной чистоты.

Режимы сварки некоторых материалов на основе титана приведены в таблице:

Условия и методы проведения процесса

Для достижения высокой мощности луча необходима его фокусировка. Она проводится в ходе серии последовательных отражений от переднего и заднего полусферических зеркал. Когда интенсивность пучка превышает пороговое значение, он проходит через центр переднего зеркала и далее, через систему направляющих призм, к рабочей зоне.

Лазерная сварка металлов может проводиться при различном взаиморасположении соединяемых заготовок. Глубину проплавления металла в рабочей зоне можно регулировать в широком диапазоне — от поверхностного до сквозного. Работу также можно вести непрерывным лучом или прерывистыми импульсами.

Различают следующие виды процесса:

  • В стык. Проводится без присадочных материалов и флюсовых порошков в защитной газовой атмосфере.
  • Внахлест. Свариваемые кромки накладываются одна на другую. Требуется обеспечить прижим заготовок друг к другу.

Лазерная сварка в стык

Компактные аппараты бытового класса позволяют проводить лазерную сварку своими руками.

Условия для работы лазером и техника безопасности

Для получения мощного луча требуется фокусировка. Она достигается благодаря нескольким последовательным отражениям. При превышении порогового значения интенсивности поток попадает в центр переднего зеркала, откуда подается в направляющие призмы и выходит в рабочую зону. Лазерная сварка проводится в любых условиях: при разных вариантах расположения деталей и глубины проплавления. Соединение формируют точечно или непрерывно.

Сварочный процесс имеет некоторые особенности, которые могут привести к травмированию мастера при несоблюдении техники безопасности:

  1. На пути луча не должно быть посторонних предметов. Если в рабочую область попадает рука сварщика, человек получает глубокий ожог.
  2. Перед началом сварки нужно проверять целостность и исправность основных элементов установки. В противном случае качество шва снижается, мастер рискует получить травму.
  3. На рабочем месте не должны находиться легковоспламеняющиеся предметы.

Типы лазеров

При сваривании металлов применяют лазеры двух типов:

  • твердотельные;
  • газовые.

Тот или иной тип лазера подбирается в зависимости от цели использования оборудования.

Твердотельный

В данном случае активным телом выступает рубиновый стержень со стеклом и примесью неодима или же алюмо-иттриевого граната, который легирован неодимом или иттербием. Стержень располагается в осветительной камере. Чтобы возбудить атомы активного тела, применяют лампу накачки, которая создает мощные световые вспышки.

На торцах активного тела находятся два зеркала:

  • частично прозрачное;
  • отражающее.

Лазерный луч будет выходить сквозь частично прозрачное зеркало, заранее оно многократно отражается в рубиновом стержне и усиливается. Твердотельные лазеры не слишком мощны, их мощность составляет от 1 до 6 кВт.

С помощью данных лазеров свариваются только мелкие и не толстые детали, чаще всего — это объекты микроэлектроники, например, тонкие проволочные выводы с диаметром 0,01−0,1 мм на основе нихрома, золота или тантала. Допускается и точечная сварка изделий на основе фольги с диаметром точки порядка 0,5−0,9 мм. Таким же способом выполняется герметичный катодный шов на кинескопах современных телевизоров.

Катод — это трубка с длиной в 2 мм, диаметром 1,8 мм и толщиной стенки 0,04 мм. К такой трубке приваривают дно толщиной в 0,12 мм на основе хромоникелевого сплава. Такие мелкие изделия варят благодаря высокой степени фокусировки луча, а также точной дозировке энергии посредством регулирования длительности импульса в определенных рамках.

Газовый

Газовые лазеры — более мощные, активным телом в них выступает газовая смесь. Газ прокачивается из баллонов с помощью насоса посредством газоразрядной трубы. Энергетическое возбуждение газа происходит за счет электрического разряда между электродами. По торцам газоразрядной трубы находятся зеркала. Электроды подключают к источнику питания, а сам лазер охлаждается с помощью водяной системы.

Основной минус оборудования с продольной прокачкой газа — это его габариты. А вот лазеры с поперечной прокачкой газа более компактные. Общая мощность может составлять от 20 кВт и больше, благодаря чему можно соединять металлы с толщиной до 20 мм на большой скорости — порядка 60 м/ч.

Самые мощные конструкции — газодинамические. В них для работы применяют газы, которые нагреваются до температуры от 1000 до 3000 К. Газ в них быстро истекает через сопло Лавля, в итоге происходит адиабатическое расширение, а затем газ охлаждается в зоне резонатора. При охлаждении возбужденные молекулы переходят на более низкий энергетический уровень, при этом испускается когерентное излучение. Накачка может происходить с применением другого лазера или прочих мощных энергетических источников. Мощные конструкции позволяют сваривать на скорости около 200 м/ч стали толщиной в 35 мм.

Сварка с помощью лазера осуществляется в атмосферных условиях, вакуум создавать не нужно, нужно при этом защищать от воздуха расплавленный металл. Обычно используются газы, например, аргон. Процесс характеризуется тем, что из-за высокой тепловой мощности луча на поверхности свариваемого изделия металл интенсивно испаряется. Пары ионизируются, вследствие чего луч рассеивается и экранизируется.

Поэтому в условиях применения высокомощного оборудования в зону сварки, кроме защитного газа, также подают и плазмоподавляющий газ. Им обычно выступает гелий, который намного легче аргона и не будет рассеивать луч. Чтобы упростить процесс нужно, использовать специальные газовые смеси, обладающие плазмоподавляющей и защитной функцией. В таком случае горелка должна подавать газ так, чтобы он мог сдувать ионизированный пар.

Во время работы луч медленно углубляется в деталь и оттесняет жидкий металл сварочной ванны на заднюю стенку кратера. Это обеспечивает «кинжальное» проплавление при условии большой глубины и малой ширине шва.

Большая концентрация энергии в луче позволяет достичь высокой скорости работы, а также обеспечивает хороший термический цикл и высокую прочность металла шва.

https://youtube.com/watch?v=u1GKNo9wa1w

Как сделать лазерный резак в гараже

Все гениально просто, поэтому для создания такого оборудования, которое способно вырезать красивейшие узоры в прочных сталях, можно сделать из обычных подручных материалов. Для изготовления обязательно потребуется старая лазерная указка. Помимо этого, следует запастись:

  1. Фонариком, работающим на аккумуляторных батарейках.
  2. Старым DVD-ROM, из которого нам потребуется извлечь матрицу с лазерным приводом.
  3. Паяльник и набор отверток для закручивания.

Первым шагом будет являться разборка привода старого дисковода компьютера. Оттуда нам следует извлечь прибор. Будьте аккуратны, чтобы не повредить само устройство. Привод дисковода должен быть пишущим, а не просто читающим, дело в строении матрицы устройства. Сейчас в подробности вдаваться не будем, но просто используйте современные нерабочие модели.

После этого, вам обязательно нужно будет извлечь красненький диод, который прожигает диск во время записи на него информации. Просто взяли паяльник и распаяли крепления этого диода. Только ни в коем случае не бросайте его. Это чувствительный элемент, который при повреждениях может быстро испортиться.

При сборке самого лазерного резака следует учесть следующее:

  1. Куда лучше установить красный диод
  2. Каким образом будут запитываться элементы всей системы
  3. Как будут распределяться потоки электрического тока в детали.

Решается эта дилемма просто. Диод из указки меняется красной лампочкой из привода. Разобрать указку следует с той же аккуратностью, что и дисковод, повреждения разъемов и держателей, испортят ваш будущий лазер для резки металлов своими руками. Когда вы это сделали, можно приступать к изготовлению корпуса для самоделки.

Для этого вам потребуется фонарик и аккумуляторные батарейки, которые запитают лазерный резак. Благодаря фонарику у вас получится удобная и компактная деталь, не занимающая много места в быту. Ключевым моментом оборудования такого корпуса является правильно подобрать полярность. Удаляется защитное стекло с бывшего фонарика, чтобы оно не являлось преградой для направленного луча.

Последующим действием является запитка самого диода. Для этого вам необходимо подключить его к зарядке аккумуляторной батареи, соблюдая полярность. В завершении проконтролировать:

  • Надежность фиксации устройства в зажимах и фиксаторах;
  • Полярность устройства;
  • Направленность луча.

Неточности докрутить, а когда все готово можно поздравить себя с успешной завершенной работой. Резак готов к использованию. Единственное, что нужно помнить — его мощность намного меньше, чем мощность производственного аналога, поэтому слишком толстый металл ему не под силу.

Поделитесь в социальных сетях:vKontakteFacebookTwitter
Напишите комментарий

Adblock
detector