Особенности и технология лазерной сварки

Одним из самых молодых инновационных методов соединения разноплановых материалов между собой является лазерный тип сварки. Он характеризуется невероятно высокой производительностью, аккуратностью и точностью выполнения рабочего процесса. Готовый сварочный шов обладает прочностью и безупречным качеством. Плавление материала выполняется при помощи луча лазера. Этот метод сварки даёт возможность сваривать не только изделия из металла, но и из других материалов различной структуры. Оборудование для выполнения лазерной сварки недешёвое, но оно быстро окупается, и с каждым днём его востребованность возрастает как на производстве, так и в условиях небольших ремонтных мастерских. В последнее время популярность стали набирать и сварочные лазерные аппараты, предназначенные для бытового применения.

Сварочные работы с применением лазерной установки стали весьма популярны в различных сферах промышленности и народного хозяйства. Сущность процесса заключается в том, что в качестве источника тепловой энергии для выполнения работ применяется сгенерированный искусственным способом лазерный луч. Лазерная сварка основана на направлении через систему фокусирования излучения, которое собирается в пучок наименьшего сечения и устремляется на рабочую поверхность деталей в месте их стыковки. Частично отражаясь, а частично попадая в толщу материала, луч подходит к рабочей поверхности. При этом поверхность заготовки моментально поглощает пучок лазера, и в это же время происходит плавление материала, которое и обеспечивает формирование сварочного шва.

Сварку с использованием лазера можно осуществлять в любом положении заготовок при помощи частичного или сквозного плавления материала. Согласно ГОСТ такой тип сварки осуществляется импульсным либо непрерывным вариантом излучения. Если работа ведётся с заготовками небольшой толщины – от нескольких микрон до 1 мм – то сварочный процесс выполняется с применением расфокусировки лазерного пучка. Делается это для того, чтобы не прожечь насквозь рабочую поверхность детали.

В случае, когда сварочный шов формируется импульсным излучением, пучок лазера выполняет сварные точки и перекрывает их от 30 до 90%, в зависимости от установленных на аппарате настроек. Лазерные сварочные установки способны выполнять процесс формирования шва со скоростью 5 мм за 1 секунду. Нередко сварку осуществляют, применяя для этого припой в виде проволоки, порошка или ленты, но чаще всего обходятся без него. Такая присадка в некоторых случаях позволяет увеличить плотность и толщину готового сварочного шва. В зависимости от глубины проникновения лазерного луча в толщу материала различают макросварку, где плавление происходит на глубине 1 мм, мини-сварку с глубиной проникновения до 1 мм, и микросварку, где речь идёт уже о глубине в 100 микрон.

Как и любой метод, лазерный процесс сварки имеет как свои положительные, так и отрицательные стороны.

Преимуществами лазерной сварки являются:

• способность к соединению любых материалов – стекла, металла, пластика, керамики, драгоценных металлов и так далее;
• высочайшая точность при выполнении работ;
• обеспечивается минимальная толщина сварочного шва при его максимальной прочности;
• зона рабочей поверхности возле формирующегося шва не нагревается, поэтому детали в процессе сварки не подвергаются деформированию;
• в процессе работы отсутствует рентгеновское излучение, не образуются вредные побочные продукты плавления материалов;
• для выполнения работы по сварке металлов не нужно применять флюс, присадку, сварочные электроды;
• процесс сварки можно осуществлять в любых, даже труднодоступных участках заготовки, а также на значительном удалении детали от самого лазера;
• сварку заготовок можно выполнять даже в том случае, если они размещаются за прозрачной преградой;
• сварочный аппарат можно быстро перепрограммировать и после окончания одного вида работ начать выполнение других задач.

Недостатки метода сварки с использованием лазера в основном связаны с финансовой составляющей и заключаются они в следующем:

• стоимость оборудования, комплектующих деталей и запасных частей у лазерного аппарата довольно высокая;
• коэффициент полезного действия процесса сварки напрямую зависит от отражающих характеристик материала заготовки;
• для работы с лазерной сварочной установкой требуются специалисты с высоким уровнем образования и подготовки;
• помещение, где работает лазерная сварочная установка, должно быть чистым (без запылённости), с нормальным уровнем влажности воздуха и не подвергаться колебаниям вибрационного характера.

Аппараты, предназначенные для сварочных работ, могут иметь различные характеристики выполняемых ими операций и внешние параметры. Лазерная сварочная установка бывает исполнена в формате мини или занимает довольно большое пространство. Каждый аппарат имеет в своём составе основные компоненты:

• генератор лазера;
• устройство для передачи лазерного излучения;
• блок сварочной головки, снабжённый линзой фокусирования;
• блок, отвечающий за фокусирование лазерного луча;
• зеркальная система, выполняющая роль резонатора;
• система, приводящая в движение саму заготовку и лазерную сварочную головку;
• программный блок управления аппаратом;
• блок электропитания;
• устройство охлаждения;

В настоящее время существует три типа лазерного оборудования для выполнения сварки.

Это самая серьёзная аппаратура, которая работает в диапазоне мощности от нескольких десятков до нескольких тысяч ватт. Суть технологии этого сварочного устройства заключается в следующем:

• в качестве источника лазерного излучения используется стержень прозрачного вида, сделанный из натурального рубина либо иттриевого граната, который для прочности легируют неодимовым компонентом;
• твёрдый стержень заключён в специальном блоке;
• вспышка специальной лампы генерирует излучение, которое передаётся стержневому элементу.

Данный тип сварочного лазерного оборудования считается наиболее высокопроизводительным. Установка выполняет сварочные работы под защитой газов. Мощность таких аппаратов колеблется от десятков до тысяч киловатт. Принцип работы устройства состоит в следующем:

• в качестве излучателя лазерного пучка применяется трубка из прозрачного материала, которая содержит внутри себя газовую смесь, состоящую из гелия, азота, кислорода с углекислотой;
• газовая смесь находится в трубке под давлением, и при подаче электрического импульса в виде разряда излучатель приходит в активное состояние;
• под действием электрического разряда, исходящего одновременно от нескольких электродов, гелий и азот сообщают свою энергию углекислому газу, и в результате получается лазерный импульс;
• лазерный импульс с помощью отражения в множественных зеркалах многократно усиливается и через оптическую систему выходит в область своего применения при сварке.

Этот тип лазерной сварки основан на применении сочетания электрической дуги и мощного луча энергии. Дуговая методика применяется с целью выполнения ровных швов. Достоинством подобных лазерных аппаратов считается хорошее соединение любых материалов без предварительного цикла подготовительных работ. Энергетический луч в сочетании с электрической дугой может выполнять в автоматическом режиме на больших скоростях сварку толстостенных заготовок, проявляя при этом низкий уровень теплообмена. Готовый сварочный шов при такой процедуре отличается точностью и надёжностью.

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.

• «ЛАТ-С» – конструкция аппарата позволяет выполнить не только лазерную сварку, но и наплавку. С помощью устройства можно выполнять аддитивные послойные изготовления деталей из металла в трёхмерном измерении. Лазером можно не только создать, но и обработать создаваемые детали. Аппарат обладает высоким уровнем производительности и мощности. В комплект к устройству могут быть добавлены специальные столы, позволяющие выполнять обработку заготовок в заданных координатных плоскостях.

• «МУЛ-1» – аппарат с небольшими габаритами, обладающий способностью лазерной сварки и аддитивного наплавления. Это устройство используют в ювелирной промышленности, благодаря чему удаётся выполнить сварку серебра и других металлов, соблюдая при этом высокую точность и аккуратность. На этом аппарате также можно сварить и пластик, его точность настолько велика, что ему можно доверить даже сварку пластиковой оправы для очков.

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.

• Модель CLW-120 – сварочный аппарат ручного типа. Обладает малой мощностью и применяется в ювелирной сфере, где требуется высокая степень точности и аккуратности. Кроме того, устройство может осуществить и точечную импульсную сварку.

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.

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.

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.

Наиболее распространены лазерные сварочные устройства в современном промышленном производстве. Инновационное оборудование используют в электронике, при создании точных приборов, в области авиации и космической сферы, на предприятиях атомной отрасли, в сфере автомобильного производства. С использованием лазерных установок изготавливают микросхемы и платы, соединяют между собой детали из пластика или металла, толщина которых находится в диапазоне нескольких микрон. Лазер даёт возможность выполнить пайку элементов, поверхность рядом с которыми не должна подвергаться нагреванию.

В сфере самолётостроения и автомобильной промышленности вес машин снижают за счёт применения облегчённых материалов: алюминия, пластика, тончайшей стали. Без использования лазерной аппаратной сварки соединить детали из таких материалов раньше не представлялось возможным.

При строительстве морских судов, а также в сфере оборонного комплекса, атомного сектора и авиакосмического моделирования происходит использование не только металлических форм, но и деталей, выполненных из титана, а также его сплавов. Осуществить сварку титана в обычных условиях довольно непросто, так как этот металл обладает чувствительностью к молекулам водорода и кислорода, которые при нагревании насыщают расплавленный при сварке металл газом и тем самым способствуют образованию в нём глубоких растрескиваний. Применение лазерной сварки, выполняемой под защитой газовой смеси гелия с аргоном, позволяет получить качественный шов даже на титановых деталях.

Аппараты для сварки с применением лазера дают возможность соединять, казалось бы, не сочетаемые между собой материалы, например, медь с алюминием. Новые технологии в сварочной сфере дали возможность соединять металлы различных текстур и свойств, а также цветные сплавы, высоколегированную сталь и чугун. Сегодня благодаря лазерным технологиям стало возможным выполнение сложных элементов запорной арматуры, узлов, шестерён и других деталей, которые раньше изготавливались с большими затратами сил, средств и времени.

Сварочные лазерные аппараты используются в медицине для изготовления расходных материалов, оправ для оптики, ортезов и протезов, искусственных суставов, скелетных штифтов и других изделий. Точность и высокая производительность лазера применяется и при изготовлении ювелирных изделий.

О том, какие особенности лазерной сварки, смотрите в следующем видео.