Лазерная сварка металла

Классификация методов лазерной сварки

Способы лазерной сварки металлов можно классифицировать по трём группам. Классификация представлена на рисунке ниже:

Классификация по энергетическим признакам

Каждый метод лазерной сварки характеризуется плотностью мощности Е, Вт/см2, т.е. отношением мощности луча лазера к площади сфокусированного луча и продолжительностью воздействия t. Лазерную сварку ведут, как правило, при Е=1-10МВт/см2. Меньшая плотность мощности не рекомендуется, так как в этом случае более эффективными и экономичными будут другие способы сварки, например, дуговая. Возможны три основных режима с разным сочетанием мощности и продолжительности воздействия:

1. Е=0,1-10МВт/см2, t>10-2с. Этот режим обеспечивается лазерами непрерывного действия. Данный режим используется для сварки конструкционных сталей различной толщины.

2. Е=0,1-10МВт/см2, t<10-3с. Данный режим обеспечивают лазеры импульсно-периодического действия. Сочетание данной мощности и длительности излучения позволяет сваривать материалы разной толщины и с меньшими затратами энергии, чем при использовании лазеров непрерывного действия.

3. Е=0,1-10МВт/см2, t=10-3-10-2с. Этот режим, как и предыдущий, обеспечивается лазерами импульсно-периодического действия и применяется при сварке металла малой толщины.

Классификация по технологическим признакам

По этому признаку сварка лазером делится на сварку с глубоким проплавлением и сварку малых толщин.

Сварку с глубоким проплавлением, в большинстве случаев, выполняют без присадочного материала, но, в отдельных случаях, для улучшения свариваемости сталей и улучшения проплавления, присадочный металл подают в зону сварки. Также сварку с глубоким проплавлением проводят в среде защитных газов, и выполняться она может как лазерами непрерывного действия, так и импульсно-периодическими лазерами.

Сварка малых толщин также может проводиться лазерами непрерывного действия и импульсно-периодическими. При этом, лазерами непрерывного действия выполняется шовная сварка, а лазерами импульсно-периодическими как шовная, так и точечная. В большинстве случаев сварка малых толщин происходит без присадочного материала. Металлы малой толщины можно сваривать без защитной среды, на эффективность проплавления малых толщин защитные газы практически не оказывают влияния. Но, в ряде случаев, при сварке титана, молибдена, ниобия, циркония и других активных металлов, защитные газы применяются для предохранения сварных швов от окисления.

Классификация по экономическим признакам

Способы лазерной сварки характеризуются своими экономическими признаками. Одним из важных экономических показателей является скорость сварки. Этот показатель напрямую определяет производительность сварки. При использовании лазеров непрерывного излучения сварка производится на высоких скоростях, что позволяет увеличить скорость сварки в 10-15 раз по сравнению с обычными видами сварки плавлением.

Сварка лазером на высоких скоростях обеспечивает минимальные остаточные деформации по окончанию сварки, а также способствует снижению горячих трещин и холодных трещин при сварке различных конструкционных материалов. Но, высокая скорость сварки не всегда достижима. К примеру, сварка импульсно-периодическими лазерами происходит на меньших скоростях, сравнимых с обычными способами сварки плавлением.

Важным экономическим показателем сварки лазером является значительная экономия материала вследствие малых объёмов расплавленного металла. К примеру, сварку металла толщиной 20 мм можно выполнить за один проход без предварительной подготовки сварных кромок и без применения присадочных материалов, а сварку металла такой же толщины 20 мм ручной дуговой сваркой выполняют в несколько заходов и с использованием присадочного материала.

Высокая концентрация энергии лазерного луча обеспечивает локальность сварки и это является третьим экономическим показателем. Условие локальности позволяет получить сварное соединение в крайне ограниченной по размерам зоне, а также в труднодоступных местах. Это условие локальности даёт больше возможности для проектирования различных сварных деталей и конструкций.

Важным аспектом, связанным с локальностью лазерной сварки, являются малые остаточные деформации после сварки. Это позволяет изготавливать сварные конструкции без применения трудоёмких и дорогостоящих методов уменьшения или устранения сварочных деформаций. Лазерная сварка — это прецизионный процесс и во многих случаях он является заключительной операцией создания детали или изделия.

В чем разница между готовыми моделями

Стоимость является главной причиной, почему множество умельцев прибегают к изготовлению лазерного резака своими руками. А принцип работы заключается в следующем:

1. Благодаря созданию направленного лазерного луча происходит воздействие на металл
2. Мощное излучение заставляет материал испаряться и выходить под силой потока.
3. В результате благодаря малому диаметру лазерного луча получается высококачественный срез заготовки.

Глубина врезания будет зависеть от мощности комплектующих. Если заводские модели оборудуются высококлассными материалами, которые обеспечивают достаточный показатель углубления. То самодельные модели способны справиться врезаться на 1-3 см.

Благодаря таким лазерным установкам можно сделать уникальные узоры в заборе частного дома, комплектующие для декорирования ворот или ограждений. Существует всего 3 вида резаков:

1. Твердотельные. Принцип работы завязан на использовании специальных сортов стекла или кристалликов светодиодного оборудования. Это недорогие производственные установки, которые используются на производстве.
2. Волоконные. Благодаря использованию оптического волокна можно получить мощный поток и достаточную глубину врезания. Они являются аналогами твердотельных моделей, но благодаря своим возможностям и характеристикам по производительности лучше их. Но и дороже.
3. Газовые. Из названия понятно, что для работы используется газ. Это может быть азот, гелий, углекислый газ. КПД таких устройств на 20% выше, чем у всех предыдущих. Их используют для резки, сварки полимеров, резины, стекла и даже металла с очень большим уровнем теплопроводности.

В быту без особых затрат можно получить только твердотельный лазерный резак, но его мощности при грамотном усилении, которое было разобрано выше, хватает для выполнения бытовых работ. Теперь у вас есть знания относительно изготовления такого устройства, а дальше только действовать и пробовать.

А у вас есть опыт в разработке лазерного резака по металлу своими руками? Поделитесь с читателями, оставив под этой статьей комментарий!

Современные комплексы

На рынке представлены лазерные установки разного уровня и назначения. Одни из них призваны заменить газорезательные станки. Листы металла укладываются на рабочее основание, а лазерные резаки перемещаются над ними с помощью порталов. Такие установки позволяют разделывать стальные листы длиной до 15 метров и толщиной до 20 мм. Движением резаков управляет блок ЧПУ, в который загружается заранее подготовленная программа раскроя. На таких линиях отходы металла снижены в несколько раз по сравнению с газорезкой.

Более компактные установки предназначены для особо точного формирования деталей из металлических, пластмассовых или деревянных заготовок. Они позволяют обрабатывать металл с точностью до тысячных долей миллиметра, отсекая от заготовки «лишний» материал в соответствии с трехмерной моделью. Такие станки применяются в приборостроении, аэрокосмической и оборонной промышленности, при декоративной резке в художественных мастерских.

Представлены на рынке и малогабаритные ручные лазерные резаки ограниченной мощности. С их помощью можно раскроить листовую заготовку или провести художественную резку металла.

Режимы

На качество резки оказывают влияние ряд параметров. В их число входят:

• скорость движения головки;
• толщина и материал заготовки;
• мощность излучателя;
• плотность энергии луча;
• фокусное расстояние;
• рабочая среда.

Так, обычные конструкционные стали с низким содержанием углерода можно разрезать значительно быстрее, чем нержавеющие сплавы. Использование в качестве активной среды кислорода дает возможность повысить скорость раскроя вдвое по сравнению с воздухом.

Точность раскроя и качество поверхности разреза также будет определяться комбинацией ключевых параметров установки. Поверхность характеризуется следующими свойствами:

• шероховатость;
• наличие оплавлении;
• зона термического воздействия;
• отклонение кромки от перпендикуляра к поверхности.

Рисунок 3 Зависимость параметров поверхности от режимов работы

Точность раскроя определяется скоростью резания и шириной фокусировки луча.

Related Posts via Categories

• Ресанта САИ 160 – для сварки в бытовых условиях
• Ресанта САИ 250ПРОФ – инвертор для профессиональной сварки
• Сварочный полуавтомат инверторного типа – сварка без затруднений
• Сварочный аппарат своими руками – возможно ли такое?
• Как варить сварочным инвертором – все по-настоящему просто!
• Форсаж 161 – российский инвертор для качественной электродуговой сварки
• EWM PICO 162 – настоящее немецкое качество
• Как выбрать сварочный инвертор – подбираем оборудование для сварки
• Blueweld Prestige 164 – надежный и удобный в эксплуатации сварочный инвертор
• Foxweld Master 202 – качественная ММА-сварка без проблем

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:

Оборудование для лазерной сварки

Оборудование для лазерной сварки металлов может быть мобильным и компактным, но также возможно приобретение полноразмерных станков для сваривания крупногабаритных деталей.

К первой категории относятся следующие модели:

• ЛАТ-С – станок применяется для лазерной сварки и наплавки металлов. Установка обладает высокими мощностными характеристиками, благодаря которым удаётся добиться хороших показателей производительности оборудования. Станок “ЛАТ-С” может оснащаться автоматическими координатными столами, что позволит выполнять сварку сложных конструкций с высокой скоростью. Лазерный станок состоит из двух модулей. В первом модуле располагается источник питания, а также специальное охлаждающее лазер устройство. Второй модуль представляет собой подвижной каркас, на котором устанавливается лазерный излучатель. Оба модуля могут легко перемещаться благодаря установленным колёсам в основании. При стационарной работе станка для обеспечения его неподвижности колёса блокируются специальным механизмом.
• МУЛ-1 – малогабаритный станок для лазерной сварки и наплавки металлов. Возможна также пайка таких драгоценных металлов, как золото и серебро. Сварка ювелирных изделий при помощи данного устройства выполняется легко и с высокой точностью, поэтому станок “МУЛ-1” может быть эффективно использован для ремонта и изготовления ювелирных украшений. Благодаря тому, что удаётся сварить небольшие по размеру металлические части без чрезмерного их нагрева, данный аппарат лазерной резки может быть использован, когда необходима сварка оправ очков. Лазерный станок “МУЛ-1” удобен тем, что для его работы достаточно обычной домашней сети напряжением 220 В. При этом потребляемая мощность устройства, в зависимости от используемого режима, составит от 1,8 до 2,5 кВт.

ЛАТ-400 – станок используется для лазерной сварки крупногабаритных деталей. Данная система состоит из мощного твердотелого лазера, устройства питания и охлаждения. Благодаря большой мощности и производительности лазера удаётся выполнять даже сложные сварочные работы с высокой скоростью. Для подключения оборудования необходима трёхфазная сеть 380 В. Потребляемая мощность аппарата при пиковой нагрузке составит около 13 кВт. Установка лазерной сварки металлов “ЛАТ-400” оборудована механизированной системой, приводимой в движение двигателями постоянного тока. Благодаря такай конструкции удаётся легко перемещать лазерную головку в трёх плоскостях.

Для ручной лазерной сварки металлов используются следующие устройства:

• WELD-WF – портативный лазерный сварочный аппарат, который отлично подходит для выполнения работ в труднодоступных местах. Устройство состоит из манипулятора, который соединяется с волокном. По волокну передаётся сгенерированное лазерное излучение. Благодаря наличию обратной связи удаётся, при использовании аппарата ” WELD-WF”, получить более качественный шов, чем при использовании оборудования не оснащённого такими дополнительными опциями. Аппарат подключается к сети 220 В и имеет мощность всего 1,5 кВт, поэтому его можно будет использовать практически в любом электрифицированном помещении. Ручной аппарат лазерной сварки по металлу отлично подходит для выполнения различных ремонтных работ, когда демонтаж конструкций затруднителен либо занимает слишком много времени.
• CLW120 – ручной лазерный сварочный аппарат небольшой мощности, который идеально подходит для выполнения работ ювелирной точности. Точечная лазерная сварка также может быть выполнена с помощью данного устройства. Применяется аппарат для сварки цветных и чёрных металлов, нержавеющей стали и титановых сплавов. Аппарат предназначен для работы от сети 220 В. Мощность устройства – 10 кВт, поэтому в домашних условиях использовать “CLW120” можно только подключив напрямую к электрическому щитку.

Практически все перечисленные аппараты как промышленного применения, так и ручного имеют бинокуляр, который позволяет защитить зрение от вредного воздействия лазерного луча, и одновременно с этим увеличить в несколько раз объект пайки или сварки для выполнения качественной и точной работы. Купить аппарат лазерной сварки не составит большого труда. Специализированные магазины предоставляют возможность приобрести или заказать необходимый станок или аппарат лазерной сварки, а на различных интернет-площадках осуществить покупку можно в один клик.

Способы и технология

На сегодняшний день технический прогресс шагнул далеко вперёд, и большинство современных предприятий работает с использованием новых технологий производственного процесса. Сварочные аппараты лазерного поколения имеют различные характеристики и режимы применения.

«Квант-15» считается одним из самых продуктивных и дорогостоящих вариантов, обладающих обширными функциональными возможностями. Ему доступна в автоматическом режиме импульсная и шовная сварка. Проплавление материала вглубь лазерным лучом составляет 3 мм. Этот аппарат используется для работы со сложными и суперпрочными высоколегированными сплавами.

Не только автоматическими моделями представлены лазерные аппараты. Среди них имеется большое число устройств, с помощью которых выполняется и ручная сварка.

Модель Weld-WF является миниатюрным аппаратом, с помощью которого производится сварка на участках, доступ к которым затруднён. Устройство оснащено манипулятором, соединённым с волоконным приводом. Оно обладает высокой производительностью при небольшой мощности.

Лазерные устройства различной комплектации и мощности могут выполнять различный объём работ:

• импульсную точечную сварку заготовок;
• ремонт конструкций различных габаритов;
• осуществить аддитивные наплавочные работы;
• выполнить ремонт электронных компонентов, пресс-форм, ювелирных изделий и так далее;
• произвести изготовление и ремонт предметов медицинского назначения, в том числе и выполнить их дезинфекцию.

Обширное применение лазерных установок сдерживается тем, что стоимость такого оборудования достаточно высока. Окупаемость аппарата происходит только в том случае, если задействовать его в промышленных масштабах.

Устройства для лазерной сварки могут выполнять соединение деталей в любом их положении. При этом глубина проплавки материала подлежит регулированию и может быть как поверхностной, так и сквозной. Сварочный шов можно делать сплошным либо производить точечную сварку. Лазерная установка может работать как с толстостенными деталями, так и с материалами толщиной в десятую часть миллиметра.

Встык

Этот вариант сварочного процесса не нуждается в использовании флюса и припоя. Две детали можно положить вплотную друг к другу и начать процесс сварки при помощи проплавления материала на всю его глубину. В процессе работы с металлами шов от окисления защищает газ азот либо аргон, а применение гелия поможет защитить заготовку сквозного пробоя лазерным лучом.

Внахлёст

С целью соединения две заготовки накладывают одну на другую, чтобы получился небольшой нахлёст, при этом сварочное соединение выполняется глубоким прожигом обеих частей. Чтобы шов получился ровным, детали должны лежать неподвижно, для чего их фиксируют специальным прижимным механизмом.

Оба метода имеют широкое применение, но практика показала, что нержавеющую сталь сваривают лазером только способом встык, так как другой метод создает напряжённость металла в процессе выполнения сварки.

Суть получения швов ультразвуком

Процесс сварки ультразвуком для пластиков и металлов имеет общие физические основы, но существенно различается по параметрам.

Для ультразвуковой сварки металлов требуется нагрев до высоких температур и приложение больших усилий сжатия. Для пластиков можно обойтись намного меньшими значениями этих параметров. Схема установки ультразвуковой сварки пластика также существенно проще.

Последовательность действий следующая

• Подключают генератор ультразвука.
• Ультразвук, проходя через конвертер, преобразуется в продольные механические колебания волновода.
• Волновод подсоединяется перпендикулярно плоскости шва и передает заготовкам колебательную энергию.
• Механическая энергия преобразуется в волновую, что обуславливает интенсивный нагрев области соприкосновения волновода и заготовки.
• В нагретом поверхностном слое возрастает текучесть.
• Динамическое усилие, прикладываемое со стороны излучателя, способствует нагреву зоны крнтакта.
• Статическое усилие, приложенное в том же направлении — перпендикулярно поверхности контакта, понуждает к образованию прочные связи.

Сварной шов после ультразвуковой сварки

При этом разница в температурах плавления может быть многократной.