Лазерная сварка металла оборудование

Лазерная сварка используется для особо точного соединения двух металлических изделий при сложной конфигурации поверхности их соприкосновения. Ввиду предельно малой площади поперечного сечения лазерного луча концентрация тепловой мощности получается значительной, что благоприятствует применению процесса в ювелирном деле, при ремонте различных оптических приборов, а также для соединения между собой тугоплавких и трудносвариваемых обычными способами металлов, например, алюминия и его сплавов.

Технология сварки лазером

Основными технологическими параметрами процесса считается качество лазерного луча. Оно определяется:

1. Когерентностью — взаимосвязанностью фаз теплового поля луча лазера в различных точках.
2. Монохроматичностью — чрезвычайно малой шириной спектральных линий, излучаемых источником.
3. Направленностью — отсутствием рассеивания луча при его движении от источника к свариваемому объекту.

По совокупности этих параметров лазерный луч превышает электронный, обеспечивая точное размерное плавление и испарение металлов в зоне сварки. Одновременно достигаются и определенные технологические преимущества. В частности, источник может находиться на расстоянии от места сваривания, а наличия вакуумной среды в зоне лазерной сварки не требуется.

При соединении деталей с использованием луча лазера последовательно происходит следующее. Подготовленные к соединению изделия плотно присоединяются друг к другу вдоль линии будущего сварного шва. Затем на место стыка наводится лазерный луч. При включении генератора начинается нагрев, размерное плавлении и испарение частиц на кромках. Поскольку сечение лазерного луча крайне мало, то расплавляемый металл заполняет собой все микронеровности и дефекты деталей, которые попадают в зону действия лазера. Поэтому плотность сварного шва — наибольшая, а пористость и прочие дефекты, присущие традиционным способам неразъемных соединений, отсутствуют. Ввиду высокой скорости перемещения лазерного луча по соединяемым поверхностям, окисления металла в ходе такой процесса не происходит.

Шов лучом лазера может быть сплошным и прерывистым. По первому способу соединяют трубы из нержавеющей стали, где требуется повышенная герметичность. Второй способ используют для соединения миниатюрных металлоконструкций и деталей, имеющих поверхностные повреждения. Например, точечной лазерной сваркой восстанавливают частично разрушенные ювелирные украшения, ремонтируют металлические оправы очков и т.п.

В соответствии с ГОСТ 19521 для лазерной сварки металла используется оборудование двух типов — твердотельное и газовое. Оборудование для лазерной сварки с использованием газовой струи отличается повышенной мощностью излучения и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Нагрев газов, возникающих в процессе работы лазерного луча, обеспечивает чрезвычайно высокую концентрацию тепловой мощности в зоне сварки. Поэтому такими установками можно сваривать изделия толщиной до 15-20 мм. Твердотельные лазеры более компактны. Излучение в них активирует стеклянный стержень, который находится в камере, освещаемой лампой накачки. Лампа работает единичными импульсами — вспышками, поэтому твердотельные лазеры в непрерывном режиме не функционируют.

Таким образом, лазерная сварка целесообразна для соединения проблемных с точки зрения конечного качества деталей, а также в точном ремонтно-инструментальном производстве.

Сварка очков и изделий из драгметаллов

Лазерная сварка очков проводится на ручных установках твердотельного типа. Устройство аппарата достаточно просто: в отражательной трубке размещены два электрода, пространство между которыми заполнено смесью ионизирующих газов — азота, неона и углекислого газа. Эта смесь подается в устройство по соплу Лаваля, которое обеспечивает нужную скорость и расход газов. При подаче на электроды высокого напряжения происходит ударная ионизация газовой смеси. Одновременно в газовой среде создается концентрированное магнитное поле, которое формирует направленный световой поток. Поскольку трубка с газами сильно нагревается (до 10000 0 С), то в аппарате предусмотрено ее водяное охлаждение. По достижении необходимой когерентности и направленности излучения луч направляется через фокусирующее устройство к месту обработки. Процесс происходит через определенные промежутки времени, которые, в зависимости от модели оборудования, могут колебаться от 1,5 до 8 мс. При перегреве узлов. Если аппарат лазерной сварки перегревается, то его отключение происходит автоматически.

Популярность лазерной технологии при ремонте очковых оправ обусловлена тем, что для этого не требуется каких-либо дополнительных материалов, в частности, припоя. Таким образом, место соединения абсолютно однородно со структурной точки зрения и в нем не возникнет никаких деформационных искажений решетки основного металла. Лазерная сварка ювелирных изделий хороша тем, что потери драгметалла отсутствуют.

Процесс происходит в следующей последовательности:

1. Поверхности свариваемых элементов тщательно очищают от пыли, а также окисных и жировых пленок.
2. Готовят к работе установку и рабочий электрод. В частности, контролируется равномерность, расход подачи аргона и состояние иглообразного электрода из вольфрама.
3. Настраивается фокусирующая линза. Это — особенно ответственный этап сварки, поскольку при расфокусированной линзе луч получается смазанным и необходимую концентрацию тепловой энергии для локального расплавления металла создать невозможно. Правильно сфокусированный пучок должен быть в плане круглым, а не овальным.
4. Устанавливается необходимое значение мощности сварки. Если она недостаточна, то вместо сварки происходит обычный (хотя и высокоскоростной) нагрев металла, а при избыточной мощности свариваемые слои могут быть проплавлены насквозь. Оптимальной для сварки очков считается удельная мощность 10 8 Вт/см 2 .

Для успеха лазерной сварки важно точно знать химический состав металла оправы. Например, если в нем присутствуют тугоплавкие элементы (например, титан), то удельную мощность необходимо подбирать с крайней осторожностью. Аналогичные сложности представляет и восстановление серебросодержащих оправ, либо изделий из золота. Причина здесь иная — индифферентность благородных металлов к происходящим в зоне сварки тепловым процессам. Для того, чтобы установка не перегревалась при сварке оправ, в составе которых имеется титан, обязательно необходимо включать продувку сварочной зоны аргоновой струей.

При выборе подходящей модели сварочного аппарата необходимо обращать также внимание на то, какой заявляется долговечность лампы накачки. Если она составляет менее полугода, то применение такого устройства нерентабельно.

Успешное использование бытового аппарата для сварки лучом лазера зависит от ряда нюансов:

1. Ориентируясь на вид изделий, с которыми придется работать, стоит позаботиться о соответствующей оснастке. Некоторые фирмы-производители комплектуют ею свое оборудование, но в большинстве случаев необходимо самостоятельно подобрать и изготовить подставку для удобного и надежного удержания свариваемых деталей.
2. При длительной работе даже импульсами, необходимо использовать также и дополнительную обдувку зоны обработки сжатым воздухом. Если такой системы в аппарате нет, стоит приобрести микрокомпрессор, расположив его рядом с постом лазерной сварки.
3. Работать сварщику без ультрафиолетового фильтра категорически запрещается, даже если установка включается на пробный импульс. Крышка безопасности от инфракрасного луча при включении должна быть закрыта.

Повышенные требования к качеству лазерной сварки деталей из тугоплавких металлов и благородных сплавов на основе серебра и золота требует особо тщательного подбора модели сварочного аппарата.

При производстве многих сложных металлов ключевой частью технологического процесса является их сварка. Соединение проводится с применением разных видов нагревов. Часто в последнее время используется и лазерная сварка металлов. Как осуществляется сварка лазером и какие ее виды существуют, будет рассмотрено в статье.

Сферы применения лазерной сварки металлов

Металлы посредством лазерной сварки соединяются в основном тогда, когда другие способы соединения бесполезны или проблематичны. Оборудование для лазерного соединения стоит весьма недешево, поэтому покупать его нужно, только когда вы убедитесь в том, что работу нельзя будет сделать другими методами.

Итак, сферы применения таковы:

• производство приборов и прочих точных механизмов;
• производство сложных изделий на основе легкоплавких металлов;
• изготовление деталей из чугуна;
• изготовление пластмассовых изделий.

Такая технология в промышленности стала применяться всего порядка 20 лет назад, и если есть возможность, то можно купить станки для только стационарного типа, но и ручные для сварки в домашних условиях.

Плюсы и минусы

Лазерное соединение металлов имеет свои плюсы и минусы. Что касается преимуществ, то они следующие:

• площадь металла нагревается незначительно, что сильно сокращает его коробление во время работы;
• лазерный луч передается по волоконной оптике, благодаря чему он попадается даже в труднодоступные места;
• лазерное оборудование можно использовать не только для сварки металла, но и его резки;
• оно обеспечивает высокое качество сварных швов;
• процесс сваривания обеспечивает хорошую производительность, его легко контролировать.

Но имеет технология и свои недостатки:

• оборудование очень дорогое;
• сварочный аппарат обладает низким КПД;
• оператор установки должен иметь высокую квалификацию.

Но, несмотря на недостатки, лазер — это единственный вариант для обеспечения точной сварочной операции или соединения легкоплавких материалов.

Виды сварки

Лазерная сварка бывает двух видов:

• Стыковая — в этом случае не используют присадки и флюс. Между металлами допускается минимальный стык, не больше 0,2 мм. Такое же значение является максимальным для фокусировки лазерного луча на стык. Сварку проводят посредством «кинжального» проплавления металла на всю толщину с интенсивностью лазерного излучения до 1 мВт/см2. Шов в этом случае нужно предохранять от окисления аргоном или азотом, а гелий защитит его от пробоя лазерного излучения;
• Нахлесточная — металлические листы накладываются друг на друга, они соединяются посредством мощного излучения. Сварка проводится с локальным прижимом деталей. Максимально допустимый зазор между поверхностями металлов при работе — 0,2 мм. В случае необходимости повышения качества соединяемых деталей используется двойной шов.

Типы лазеров

При сваривании металлов применяют лазеры двух типов:

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:

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.

Станки для сварки лазером

Для данного вида сварочных работ применяется оборудование как мобильного, так и компактного типа, также может использоваться полноразмерное оборудование для соединения крупногабаритных деталей.

Часто в промышленных целях используют такие модели станков, как:

• ЛАТ-С — он применяется для самой лазерной сварки, а также наплавки металлов. Обладает высокой мощностью, благодаря чему можно добиться высоких показателей в плане производительности. Может быть оснащен автоматическими координатными столами, благодаря чему можно обрабатывать сложные конструкции на высокой скорости. Станок включает в себя два модуля. В первом находится источник питания и устройство для охлаждения лазера, а второй модуль — это такой подвижный каркас, где находится лазерный излучатель. Два модуля легко двигаются благодаря наличию колес в основании. Для стационарной работы со станком неподвижность обеспечивается за счет специального механического блокиратора;
• МУЛ-1 — этот станок малогабаритный, используется для лазерной сварки и наплавки металлов. Также с его помощью можно паять золото и серебро. Варить ювелирные изделия данным станком можно легко и с соблюдением высокой точности. Часто оборудование используют для ремонта и производства ювелирных изделий. Металлические части небольшого размера можно сварить без сильного нагрева, допускается даже соединение оправ для очков. Устройство удобное тем, что для работы достаточно напряжения в 220 В. В зависимости от выбранного режима, мощность прибора составляет от 1,9 до 2, 5 кВт;
• ЛАТ-400 — применяется для соединения крупногабаритных изделий. Система включает в себя мощный твердотелый лазер, устройство питания и охлаждения. Лазер обладает высокой мощностью и производительностью, благодаря чему даже сложные работы можно осуществлять на высокой скорости. Оборудование подключается за счет трехфазной сети в 380 В. При пиковой нагрузке мощность аппарата составляет порядка 13 кВт. Установка оснащена механизированной системой, которая приводится в движение за счет двигателя постоянного тока. Это позволяет легко передвигать лазерную головку в трех плоскостях.

Ручная лазерная сварка проводится с применением таких аппаратов:

• WELD-WF — портативное устройство, благодаря которому можно выполнять работы даже в труднодоступных местах. Оно включает в себя манипулятор, соединяемый с волокном. Сгенерированное лазерное излучение передается по волокну. Поскольку есть наличие обратной связи, с помощью аппарата можно получить максимально качественный шов по сравнению с оборудованием, в котором нет подобных опций. Аппарат имеет мощность всего 1,5 кВт и работает от сети в 220 В. Он подходит для разных ремонтных работ, когда выполнить демонтаж сложно или требует много времени;
• CLW120 — ручной аппарат с невысокой мощностью, который отлично подходит для работ, требующих ювелирной точности, а также точечной лазерной сварки. Кроме этого, с его помощью можно соединять цветные и черные металлы, нержавеющую сталь или же титановые сплавы. Мощность оборудования — 10 кВт, требования к сети — 220 В.

Почти все перечисленные аппараты оснащены бинокуляром, который защищает зрение от негативного воздействия лазерного луча и вместе с тем помогает в несколько раз увеличить объект обработки, чтобы работа была выполнена качественно и точно.

Лазерная сварка — это технология, в которой основным элементом воздействия на материалы является лазер. Главное достоинство лазера – способность концентрировать большую мощность излучения на единицу площади (1-10МВт/см2), что обеспечивает сварку различных материалов толщиной от нескольких микрон до сантиметров.

Действие лазера

Суть сварки лазером заключается в том, что излучение, проходя через фокусирующую систему, концентрируется в определенной точке. Все, что попадает в эту точку, подвергается сильнейшему термическому воздействию.

Похожие процессы происходят при разжигании огня с помощью лупы. Так как лазерное излучение монохромное и когерентное (с постоянной разностью фаз в пространстве или времени), то используя обычную оптическую линзу можно получить высокую концентрацию энергии на очень маленькой площади.

В месте концентрации луча металл быстро расплавляется. Для формирования сварного шва достаточно убрать лазер или расфокусировать его. Благодаря маленькой области термического воздействия в свариваемом материале практически отсутствуют деформации. Шов получается тонким и не требует дальнейшей обработки.

Типы сварочных аппаратов

Лазерный сварочный аппарат использует импульсное или непрерывное излучение, и может делать швы любого типа. Так как мощность излучателя рассчитана на максимальную толщину свариваемого металла, то при сварке тонких листов (0,05-1 мм) применяется расфокусировка луча.

По типу активного тела лазерное сварочное оборудование бывает с:

• твердотельным лазером;
• газовым;
• газодинамическим лазером.

Импульсный лазерный аппарат производит сварку точечно. Для создания сплошного шва сварные точки наносятся с перекрытием.

Частота импульсов у разных моделей разная, обычно в пределах 4-20 Гц. Скорость сварки доходит до 20 м/час.

Твердотельные лазеры

Основным элементом твердотельного прибора является стержень из рубина или стекла с неодимом, который находится в осветительной камере. Когда в камеру с определенной частотой подается свет большой мощности, то в кристалле (активном теле) происходит возбуждение атомов, что приводит к излучению света одной длины волны.

Торцы стержня из рубина представляют собой отражающие зеркала, одно из них частично прозрачное. Через него происходит выход энергии в виде лазерного излучения.

В стационарных установках кроме собственно лазера и оптической системы фокусировки луча аппарат имеет систему газовой защиты, систему перемещения головки и свариваемого изделия.

Твердотельные приборы имеют относительно небольшую мощность от 1 до 6 кВт. Они применяются в основном в микроэлектронике, приборостроении и ювелирном деле, где приходится приваривать выводы микрочипов толщиной несколько микрон, катоды кинескопов электронно-лучевых трубок или сваривать мелкие элементы на ювелирных изделиях. Используется как точечная сварка.

Газовые лазеры

В газовых лазерных устройствах для сварки активным телом является смесь углекислого газа, азота и гелия.

Газовая смесь из баллонов с помощью насоса продувается через газоразрядную трубку, где с помощью электрических разрядов происходит возбуждение газа. Газогазрядная труба имеет отражающее и прозрачное зеркало по торцам, весь процесс происходит, как в твердотельном лазере.

По сравнению с твердотельными газовые лазеры мощнее, их мощность может превышать 20 кВт. Имеют систему водяного охлаждения. Сварочные аппараты с газовым лазером могут варить толстый металл до 2 см со скоростью 1 м/мин.

Газодинамические лазеры

Газодинамические лазерные устройства самые мощные. Активным телом является окись углерода, нагретая до 3000 ⁰K и пропущенная через сопло Лаваля. На выходе из сопла происходит резкое падение давления и, соответственно, охлаждение газа.

При этом процессе молекулы окиси углерода испускают монохромное излучение. Для повышения мощности в качестве источника накачки применяются дополнительные лазеры.

Такой способ позволяет развивать мощность газодинамического лазера до 100 кВт и более, что позволяет варить металлы толщиной 35 мм со скоростью 200 м/час. Такая производительность недоступна другим видам сварки.

Лазерно-дуговая технология

Гибридная технология совмещает в себе преимущества дуговой и лазерной сварки. Когда нужно сваривать толстые листы металла с большой скоростью и минимальным подводом тепла к сварочной зоне в автоматическом режиме, то для этого потребуется оборудование с лазерно-дуговой сваркой.

За счет быстрого разогрева лазером сварочной ванны улучшается качество шва, его глубина. Это уменьшает напряжения и деформации от возникновения соединительного шва.

Кроме этого приводит к большой скорости сварки, появляется возможность провести сваривание в один проход. Нет жестких требований к соединяемым кромкам. В комбинации с дуговой сваркой обычно используется твердотельный лазер.

Особенности процесса

Благодаря возможности концентрировать огромную энергию на маленькой площади лазерная сварка титана, а также алюминия, нержавейки и других металлов не представляет трудностей.

Для лазерной сварки не требуются особые условия. Она может производиться в окружении обычной атмосферы. Как и при дуговой электросварке требуется защита деталей в точке соединения от влияния воздуха. Для этого применяют инертные газы.

Из-за высокой мощности лазерного луча металл в сварочной ванне начинает кипеть. Пары ионизируются и рассеивают луч лазера. Для борьбы с этой проблемой в зону сваривания стали направлять струю газа подавляющего плазму.

Его роль выполняет гелий, который не рассеивает луч благодаря своей легкости и прозрачности. При одновременной подаче защитного и подавляющего плазму газов струя направляется так, что сдувает плазму с рабочей зоны.

Преимущества и недостатки

Главным достоинством лазерной сварки является регулировка количества энергии в конкретной точке на очень маленькой площади. Это позволяет получать прочные и надежные соединения при работе с мелкими изделиями. Поэтому ее применяют высокоточные производства.

Лазерная сварка может использоваться удаленно от оператора. Известна установка для ремонта стальных трубопроводов находящихся на дне водоема. С помощью вращающихся зеркал лазерный луч доставляется на место назначения, где происходит сварка.

Мощные лазеры могут проваривать толстые металлы при узком шве и минимальном термическом воздействии на соседние слои. Имеют высокую степень автоматизации работ, высокую скорость сварки и отличное качество шва.

Главным недостатком лазерной сварки является высокая стоимость оборудования. Установки имеют низкий КПД (не более 2 %), соответственно высокую стоимость сварочных работ.

Меры безопасности

При работе с лазерной сваркой использование очков обязательно. В стационарных установках должны быть защитные экраны, не позволяющие оператору попасть в рабочую зону лазера. Предусматриваются системы блокировки работы лазера при нарушении рабочей зоны персоналом.

Стены помещения покрываются матовой краской имеющей минимальную отражающую способность. В автоматических системах пульты управления и контроля находятся за пределами рабочего помещения.