Лазерная сварка металла: что это такое и где ее можно применить

Виды и принцип работы лазерных аппаратов

В современном промышленном производстве сферы металлургии и металлообработки используются в основном три типа лазеров: твердотельные, газовые и волоконные. 

Твердотельные лазеры. В этих устройствах в качестве рабочей среды применяются кристаллы или легированное стекло, которое имеет форму стержня. Квантовые генераторы этого типа создают стабильный лазерный луч с высокой энергетической плотностью в пятне нагрева — до 1 МВт/см2. 

Газовые лазеры. Здесь средой усиления служит смесь газов. Чаще всего в состав входит углекислый газ, азот и гелий. Главное достоинство газовых лазеров — высокая мощность, которая достигает 20 кВт. 

Для сварки крупных деталей с толщиной металла до 35 мм применяются газодинамические лазеры. Этот вид аппаратов используется в мощных сварочных аппаратах — до 100 кВт и производительностью до 200 м/ч. 

Волоконные иттербиевые лазеры. Эта технология наиболее современная и считается настоящим прорывом в области металлообработки. Дело в том, что в других типах твердотельных лазеров луч возникает в излучателе и проходит через сложную систему зеркал и лазерную голову, прежде чем соприкоснуться с поверхностью металла. Это приводит к потере мощности и снижению КПД установки.
У волоконного аппарата луч генерируется непосредственно в иттербиевых волокнах. В современных волоконных установках нет отражающих зеркал, только простая линза и лазерная голова. Соответственно, нет и потерь мощности. Кроме этого, такие аппараты меньше нагреваются и требуют меньше воды для охлаждения. Например, у газового лазера емкость для жидкости может достигать 500 литров, а волоконному хватает 70 литров. 

Преимущества иттербиевых волоконных лазеров перед другими типа генераторов:

• Неприхотливость. Не нуждаются в особых условиях эксплуатации и не требуют сложного технического обслуживания. 

• Компактность. Установку можно разместить в крайне ограниченном пространстве. 

• Надежность. Излучатели гораздо реже выходят из строя, кроме этого, их проще ремонтировать. 

• Нет потерь мощности. За счет этого обладают более высоким КПД — до 70%, что почти вдвое выше чем у газовых и твердотельных моделей на кристаллах. 

Еще один существенный плюс иттербиевых волоконных лазеров — они стоят дешевле газовых и твердотельных моделей на кристаллах.      

Как работает лазерная сварка

Итак, что же происходит во время сварки металлов лазером. Процесс состоит из четырех этапов:

1. Фокусировка лазерного луча в сварочной голове с помощью линз или зеркал в точке соединения деталей. Здесь важна точная «наводка» для получения качественного сварного шва. В современных роботизированных аппаратах эта функция выполняется автоматически. 

2. Нагрев. Все металлы обладают теплопроводностью и благодаря ей они поглощают тепловую энергию лазерного луча. В месте его соприкосновения с поверхностью деталей образуется пятно нагрева с быстрым ростом температуры. 

3. Плавление и смешивание. Когда температура в пятне нагрева достигает точки плавления, начинается формирование сварочной ванны. Она состоит из расплавленного металла и присадок, которые используются для некоторых видов металлов. 

4. Охлаждение и затвердевание. После того, как лазерный луч прекращает свое воздействие, расплавленный металл начинает остывать. В результате образуется прочный сварной шов, который надежно соединяет детали между собой. 

Лазерная сварка проводится под защитой аргона, который помогает избежать негативного воздействия кислорода воздуха и образования окислов. Если используются аппараты большой мощности — свыше 20 кВт, необходимо дополнительная подкачка плазмозащитных газов. Дело в том, что сильное тепловое излучение таких установок вызывает интенсивное испарение металла в зоне сварки. Пары начинают ионизироваться с образованием облака, которое снижает точность лазерного луча, рассеивая его. Плазмозащитный газ помогает снизить ионизацию металлических частиц и получить более качественный сварной шов.

Преимущества и недостатки лазерной сварки

Главное преимущество — высокое качество сварного шва. Он получается ровным и прочным, практически не требует какой либо дополнительной обработки. Кроме этого, аппараты этого типа позволяют точно дозировать энергию и за счет этого можно сваривать как толстую сталь, так и мелкие детали вроде тонкой проволоки. Эти свойства важны для высокоточного производства, а также изготовления ответственных конструкций. 

Но на этом достоинства технологии не заканчиваются. Лазерная сварка обладает дополнительными преимуществами:

• Малая ширина сварного шва при большой толщине металла. Благодаря этому свойству сокращается область термического воздействия лазера на металл. В результате уменьшается риск деформации и появления концентраторов напряжения в местах стыка. 

• Можно сваривать конструкции, которые находятся на удалении от генератора лазерного луча. Например, существует установка для ремонта подводного трубопровода. Внутри трубы перемещается тележка со специальным зеркалом, а сварочный аппарат монтируется на ее конце. За счет этого можно заделывать бреши, не прибегая к трудоемкой процедуре подъема конструкции на поверхность. 

• Легкость в управлении лазерным лучом. Его можно направлять в любую сторону с помощью специальных линз и зеркал. Это делает лазерную сварку идеальным методом для соединения деталей, расположенных в труднодоступных местах. При необходимости можно сваривать несколько изделий с помощью одного лазера. Для этого используются призмы, которые расщепляют лазерный луч. 

• Не требует предварительной подготовки кромок. За счет этого снижаются временные и финансовые затраты на производство одной единицы продукции. 

• Автоматизация процесса. Возможность установить сварочного робота на потоковое производство позволяет снизить расходы и увеличить выход готовой продукции. Кроме этого, роботы более точно «нацеливают» лазерный луч, чем люди. 

• Можно сваривать детали, изготовленные из разных металлов. Например, соединить секции трубопровода, изготовленные из латуни и нержавеющей стали. 

• Низкий уровень шума. Лазерные установки работают достаточно тихо, операторам не требуется дополнительная защита слуха. 

Технология также обладает рядом минусов. В первую очередь, сообщается о низком КПД лазерных аппаратов по сравнению с другими видами сварки. Однако, у оптоволоконных лазеров эта проблема успешно решена. Что касается стоимости, то дорогими остаются в основном высокомощные газовые и твердотельные аппараты — свыше 6 кВт. То есть, мощность пропорциональна их цене. Модели волоконного типа по стоимости будут заметно дешевле. К тому же, им не требуются дорогостоящие системы зеркал и большие емкости для воды.  

Сфера применения аппаратов для лазерной сварки

Лазерные головы устанавливаются на два типа устройств и от этого зависит, где их будут применять. Существуют ручные и роботизированные аппараты с разной максимальной мощностью. 

Ручные сварочные аппараты

Их мощность сравнительно невелика — от 0,5 до 3 кВт. Такие устройства используются для следующих видов работ:

• Сварка деталей кузова автомобиля, ремонт поврежденных частей после аварий или естественного износа. 

• Ремонт сложной сети трубопроводов и деталей, расположенных в труднодоступных местах, где нельзя разместить сварочный аппарат другого типа. 

• Сварка строительных металлоконструкций, например, несущих каркасов зданий.  

• Высокоточное производство: медицинское оборудование, сложные измерительные приборы с тонкими и мелкими деталями, где важно качество сварных швов. 

• Производство мебели и металлических изделий, таких как ворота, ограждения, различные декоративные элементы.

• Строительство и ремонт трубопроводов в нефтегазовой промышленности. В этой отрасли трубы часто работают под избыточным давлением, поэтому прочность и надежность сварных швов крайне важны. 

Ручные аппараты часто используются для ремонта и мелкосерийного производства, где не требуется высокая производительность.

Промышленные роботы-манипуляторы

Эти установки отличаются большей мощностью по сравнению с ручными аппаратами — от 1 до 6 кВт. На крупных предприятиях используются более мощные модели — до 20 кВт. Итак, промышленные роботы используются для следующих видов работ:

• Производство автомобилей, в авиа- и ракетостроении. 

• Строительство крупных сооружений: высотных зданий, мостов, спортивных объектов, дамб и плотин. В этой сфере используются не на строительной площадке, а в цехах для производства рамных конструкций. 

• Массовое производство высокоточного медицинского и лабораторного оборудования. 

• Ремонт и обслуживание металлоконструкций и трубопроводов в химической и нефтегазовой промышленности. Роботов чаще всего используют на ответственных участках или когда нужно устранить последствия аварии, а нахождение людей в зоне поломки может быть опасным. 

• Изготовление ответственного и сложного оборудования для разных отраслей — от нефтегазовой до фармацевтической. 

Промышленные роботы наиболее выгодны для поточных линий и для крупносерийного производства. Это позволяет сократить издержки и упростить технологические процессы — один оператор может контролировать несколько аппаратов.

Какие сплавы и металлы можно сваривать с помощью лазера

Технология считается универсальной и с ее помощью можно сваривать практически любые металлы:

• алюминиевые сплавы;

• углеродистую и нержавеющую сталь всех классов;

• сплавы на основе магния, титана, вольфрама;

• драгоценные металлы;

• низкоуглеродистые высокопрочные стали;

• жаростойкие сплавы.

Кроме этого, с помощью лазерной сварки можно соединять разные виды металлов. При этом шов будет прочным и качественным, а соединение — максимально надежным.

Как устроены аппараты для волоконной лазерной сварки

Несмотря на внешние различия, внутреннее устройство ручных и роботизированных аппаратов схожее. Оба вида включают в себя следующие компоненты:

• оптоволоконный кабель;

• механизм автоматической подачи проволоки.

• систему охлаждения — воздушную или водяную в зависимости от мощности и конструкции устройства. 

Разница заключается в наличии автоматического механизма для перемещения — у ручных аппаратов его нет, они передвигаются и направляются сварщиком. Кроме этого, роботы оснащаются системами ЧПУ для автоматизации технологического процесса.

Как подобрать мощность лазера 

Мощность лазерного сварочного аппарата подбирается исходя из вида металла и его толщины. Зависимость этих параметров можно посмотреть в таблице 2, в ней приведены примерные режимы волоконной лазерной сварки для разных типов сплавов.

Таблица №2. Зависимость мощности волоконного лазера от толщины свариваемого металла.

Как видно из таблицы, тугоплавкие металлы и стали большой толщины требуют высокой мощности лазера. Это два основных параметра, которые надо учитывать при выборе сварочного аппарата.

Заключение

Сварка металлов с помощью волоконных лазеров — наиболее перспективная технология, которая постепенно заменяет газовые и «кристаллические» генераторы. Высокий КПД и отсутствие потери мощности делают ее экономически выгодной, по сравнению с другими методами сварки. Особенно это актуально для высокоточного производства, где необходимо соединять тонкие или мелкие детали. Сделать это и не прожечь металл можно только с помощью сварки волоконным лазером, который обладает достаточной точностью и регулируемой мощностью луча.     

Следите за нашим сайтом чтобы не пропустить новые выпуски в разделе "Блог"! Мы расскажем вам о других интересных технологиях и перспективных разработках в сфере лазерной металлообработки!