Лазерная сварка металла:

Сварка металла при помощи лазера - одна из последних технологий в металлообработке. Она предлагает высокую точность, производительность и качество сварного шва. В процессе работы нагрев и плавление металла осуществляются при помощи лазерного луча, что дает возможность сваривать материалы разных типов.

Несмотря на то, что оборудование для лазерной сварки металла находится в высокой ценовой категории и имеет сложную эксплуатацию, она приобретает все большую популярность. Сегодня доступны и бытовые устройства, позволяющие домашним мастерам применять этот метод.

Лазер производит монохромный световой поток, выделяющий себя среди других спектров. Все волны этого потока имеют одинаковую длину, что позволяет точно контролировать поток при помощи линз и призм. Таким образом, происходит явление волнового резонанса, которое существенно поднимает уровень выходной мощности.

Технология лазерной сварки очень похожа на газовую сварку. Для начала необходимо произвести подготовку зоны соединения. Затем луч лазера направляется на начало шва и нагревает металл. В результате происходит плавление металла и формирование кристаллической ванны. Луч движется вдоль шва и зоны кристаллизации.

Принцип работы лазерной сварки основан на поглощении металлом энергии пучка лазера в зоне работы, вызывая сильный локальный нагрев. Это позволяет добиться быстрой и качественной сварки для получения надежных и неразъемных соединений из разнородных материалов.

Для достижения максимальной эффективности процесса важно отобрать подходящие условия и методы выполнения. Ключевым элементом процесса лазерной сварки является получение нужного размера лазерного луча, достигающегося с помощью отражения от зеркала. При достижении требуемых значений интенсивности, луч приходит в рабочую область через систему призм.

При использовании лазерной сварки детали могут находиться в различных положениях и глубина проплавлений металла регулируется в широком диапазоне. В качестве источника луча могут выступать как продолжительные импульсы, так и прерывистый луч. Лазерная сварка подходит как для тонкого листового материала, так и для более толстых деталей сложной формы.

Существует несколько видов процесса, включая сварку в стык и внахлест. Первый процесс не требует добавления присадочных материалов и флюсовых порошков в защитной атмосфере, а второй требует дополнительного прилегания двух заготовок.

Для осуществления лазерной сварки существует несколько необходимых компонентов, включающих:

1. Лазер с блоком питания - источник излучения, который возбуждает активную среду и генерирует лазерный луч. Для лазерной сварки могут использоваться разные типы лазеров, такие как газовые или твердотельные.
   
   
2. Оптическая система фокусировки - комплекс линз и зеркал, которые направляют и фокусируют лазерный луч на место сварки. Оптическая система позволяет управлять размером пятна лазерного луча, который направлен на материал.
   
   
3. Механизм перемещения луча - система, которая управляет положением лазерного луча в рабочей зоне. Механизм может быть автоматическим или ручным и должен обеспечивать точное перемещение луча в соответствии с заданными параметрами.
   
   
4. Приспособления для подачи инертных газов - инертные газы используются для защиты рабочей зоны от внешних факторов и предотвращения окисления сварочного шва. Для этого применяются специальные устройства, которые подают газ в рабочую зону.
   
   

Аппараты лазерной сварки могут быть классифицированы по типу активного излучателя, которые разделяются на газовые и твердотельные. Каждый тип может работать в импульсном или непрерывном режиме в зависимости от требований и спецификаций сварочной работы.

Лазер может излучать свет как непрерывно, так и в виде импульсов. Для того, чтобы активный элемент внутри лазера работал, он изготавливается из кристаллов искусственного рубина, которые состоят из оксида алюминия и хромовых ионов. Далее полируются края щелочника, чтобы получить зеркальную поверхность для отражения света. Торцы также подвергаются ионному облучению от лампы накачки, которое приводит к выработке светового импульса на необходимой частоте.

Работа лазера происходит следующим образом: активный элемент в виде стержня окружен лампой накачки. Лампа регулярно выдает импульсы энергии, которые фокусируются и отражаются от торцевых зеркал. Когда интенсивность светового пучка достигает порогового значения, происходит излучение рабочего импульса.

Лазеры, имеющие твердый активный элемент, работают на волне длиной 0,69 микрон. Мощность лазеров данного типа может достигать десятков или сотен ватт.

Газовое сварочное оборудование предлагает более высокую мощность, достигающую десятков киловатт и требующую более высокого напряжения. Вместо твердотельных стержней, используемых в других видах оборудования, используется лампа накачки, направляющая смесь газов из углекислого газа, азота и гелия под давлением до нескольких атмосфер. Когерентный импульс, который затем усиливается многократным отражением от торцевых зеркал, инициирует электрический разряд в смеси и проходит через полупроницаемое зеркало. С длинами волн около 10 микрон, газовые установки добиваются практического коэффициента полезного действия до 15%.

Для качественной сварки тонкостенного металла необходимо учитывать несколько особенностей. Для заготовок средней толщины процесс должен подразумевать полное проплавление материала, которое обеспечивается высокоинтенсивным излучением. А при сварке лазером тонкостенных металлов существует угроза прожигания листа. Для предотвращения этого следует поддерживать контроль над мощностью излучения, движением луча и фокусировкой рабочего пятна.

При сварке тонкостенных металлических заготовок предпочтительна минимальная мощность излучения. В непрерывном режиме скорость движения луча рекомендуется повышать для понижения плотности потока, а в импульсном режиме длительность импульсов должна быть выше. Если даже при минимальной мощности плотность потока превышает допустимую величину, то рекомендуется использовать расфокусировку луча. Такой подход помогает избежать проблем с прожигом листа и разбрызгиванием металла, но при этом КПД немного понижает.

Для того, чтобы максимально использовать выданную мощность и получить высокий КПД, при работе с тонкостенным металлом необходимо правильно выбрать скорость движения луча и достаточное количество фокусировки. В зависимости от материала, который будет обрабатываться с помощью лазера, выбранные параметры должны быть оптимизированы для получения наилучших результатов. Также стоит иметь в виду, что для тонкостенных металлов следует использовать преднамеренно расфокусированные лучи. Это помогает снизить риск прожигания листа и нежелательных эффектов, приводящих к потере качества сварки.

При сварке стальных заготовок необходима механическая очистка от ржавчины и загрязнений. Перед сваркой детали должны быть тщательно обезжирены и высушены. Наличие влаги в зоне шва может привести к уменьшению прочности и долговечности материала шва.

Аналогичная подготовка и обезжиривание необходимы для большинства цветных металлов и сплавов.

Благодаря высокой скорости перемещения луча в зоне шва, окислы не успевают образовываться. Это позволяет сваривать нержавеющие и титановые сплавы без применения флюсовых порошков и атмосферы защитных газов. Эта уникальная возможность делает лазерный метод идеальным для сварки критически важных конструкций в области атомной, авиационной, космической и оборонной промышленности.

Однако, следует учитывать, что сварка нержавеющих сплавов допустима только в стык. Нахлест может вызвать тепловые напряжения в материале.

Таким образом, технология сварки может отличаться для различных металлов и их сплавов. Необходимо учитывать механическую очистку и обезжиривание перед сваркой, а также уникальные свойства лазерной сварки для сварки нержавеющих и титановых сплавов.

Современные технологии разработки оборудования привели к созданию малогабаритных аппаратов для ручной лазерной сварки, предлагаемых на рынке в большом ассортименте с различными параметрами и функциональностью.

Такие аппараты предоставляют возможности для проведения следующих операций:

• точечной сварки (точечная сварка также может быть выполнена с помощью лазерной сварки. Она может быть использована для создания точечных соединений, например, для крепления крючков на электродеталях);
• наплавочных операций (наплавочные операции также могут быть выполнены с помощью лазерной сварки. Она может быть использована для наплавки поверхностей, устранения износа или для создания сложных конструкций);
• ремонта небольших пресс-форм (лазерная сварка может быть использована для ремонта небольших пресс-форм, которые используются в производстве металлических деталей, например, в автомобильной промышленности);
• пайки электронных компонентов (пайка электронных компонентов - это еще одно применение лазерной сварки. Она может быть использована для точной пайки, когда необходимо соединить мелкие детали, такие как провода или контакты на печатных платах.);
• ремонта малогабаритных и миниатюрных конструкций (ювелирные изделия, медицинские инструменты и части электроники, требуют очень точной и чистой сварки. Лазерная сварка позволяет проводить точные операции сварки, что важно при работе с мелкими деталями).

Компактные аппараты для ручной лазерной сварки нашли широкое применение в различных сферах деятельности, включая автомобильную, электронную и медицинскую промышленности. Они являются удобным и эффективным инструментом для выполнения многих задач связанных с сваркой и ремонтом мелких деталей.

В процессе лазерной сварки используются два основных типа оборудования: с твердотельным или газообразным рабочим телом. Эти типы устройств различаются методом возбуждения светового излучения, но при работе с металлом они действуют одинаково.

Твердотельные установки обычно используются в режиме непрерывного излучения и применяются для сварки тонких и малогабаритных изделий. Они работают на более высоких рабочих частотах, но ограничены по мощности и КПД.

Для соединения заготовок большой толщины применяются газовые устройства, которые возбуждают излучение в газовой среде электрическим разрядом. Эти аппараты могут сваривать детали толщиной до 20 мм и позволяют достичь более высоких мощностей и значений КПД. Однако такие устройства более сложны в устройстве и используют хрупкие стеклянные колбы.

Для сложных конфигураций свариваемых деталей и листов большой толщины существуют гибридные сварочные установки. Они включают лазерную головку и горелку электродугового полуавтомата, а в качестве присадочного материала используют проволоку, которая заполняет сварочный зазор и участвует в формировании шовного материала.