Технология лазерной сварки: особенности и оборудование

Лазерная сварка – это технология соединения металлов и других материалов плавлением, которое производится благодаря нагреву рабочей зоны лазерным лучом. Технология часто применяется для высокоточного соединения деталей, для сварки изделий, имеющих сложную конфигурацию соприкосновения, для соединения разнородных материалов, деталей сверхмалых и крупных размеров, деталей, имеющих разные толщины.

Принцип действия лазерной сварки

Изделия, подлежащие сварке, плотно соединяют друг с другом по линии будущего сварного шва. Сфокусированный лазерный луч нагревает и расплавляет кромки изделий, в результате чего расплавленный материал заполняет зону соединения, проникая во все микронеровности материалов. Лазерный луч и, соответственно, зона расплава перемещаются вдоль линии соединения, создавая прочный, плотный, узкий и глубокий сварной шов. Глубину проплавления материалов можно регулировать от поверхностной до сквозной.

В целях предотвращения окисления металлов при сварке применяется газовая защитная среда, которая может состоять из аргона, гелия, азота (он используется реже) или смеси других газов.

Материалы, поддающиеся лазерной сварке

• сталь: нержавеющая, высокопрочная, легированная, углеродистая;
• чугун;
• титан и его сплавы;
• алюминий и сплавы на его основе;
• медь, латунь и другие сплавы на основе меди;
• магниевые сплавы;
• серебро;
• пластик;
• стекло;
• керамика.

Преимущества технологии лазерной сварки

• Высокая плотность сварного шва. Соединение полностью лишено дефектов, которые образуются при сварке другими методами. Например, в сварном шве практически полностью отсутствует пористость. Для сравнения, нормативами разрешено равномерное распределение пористости для дуговой сварки ≤20%. Данный показатель для лазерной сварки не превышает 0,8%.

Отсутствие пор обусловлено особенностью процесса лазерной сварки: для нее не требуются использование электродов и формирование дуги, технология имеет ряд других существенных отличий от прочих методов сварки.

Поры чаще всего образуются при сварке алюминия и его сплавов иными методами без использования лазера. При этом уменьшается толщина сечения сварного шва, что негативно влияет на прочность и эластичность готового изделия. Лазерная сварка позволяет выполнять соединение деталей из алюминия и его сплавов без возникновения пор и потери качества готовой продукции.

• Механические и физические свойства сварного шва сопоставимы с аналогичными свойствами соединяемых материалов.
• Наименьшая ширина сварного соединения среди всех технологий сварки. Шов выглядит аккуратно и почти незаметен.
• Гладкий сварной шов не нуждается в шлифовке.
• Высокая плотность энергии в лазерном пятне создает условия для быстрого разогрева и охлаждения зоны соединения. В процессе сварки значительно сокращается воздействие тепла на околошовную зону, благодаря чему в ней не происходят деформации и разупрочнение материала, не образуются трещины.
• Существует возможность встраивания оборудования в любую производственную линию.
• Сваривание элементов производится за один проход без необходимости разделки кромок.
• Скорость выполнения работ в несколько раз выше по сравнению с другими методами сварки.
• Возможность выполнения сварки в узких, труднодоступных и удаленных местах.
• Возможность быстрой перенастройки лазерного оборудования на выполнение новой сварочной операции.
• Технология позволяет сваривать изделия, находящиеся за прозрачными материалами.
• Технология, за исключением гибридной лазерной сварки, не предусматривает использование присадок, флюсов, электродов, что обеспечивает высокую химическую чистоту процесса сварки.
• Безопасность процесса сварки для персонала.

Недостатки лазерной сварки

• Достаточно высокая стоимость оборудования и комплектующих, в связи с чем технология лазерной сварки применяется в основном на производственных предприятиях.
• Эффективность процесса сварки зависит от способности металла отражать лазерное излучение.
• Низкий КПД.
• Особые требования предъявляются к показателям влажности, вибрации и запыленности в помещении.
• Высокие требования к квалификации персонала. Сварщик, не обладающий достаточным опытом, может неправильно настроить оборудование, что приведет к возникновению дефектов: непроваривание шва, прожоги, появление пор и трещин, кратеров, наплывов, инородные включения.

Классификация видов лазерной сварки

По глубине проплавления:

• микросварка – материал проплавляется на глубину до 0,1 мм;
• минисварка – на глубину проплавления от 0,1 мм до 1 мм;
• макросварка – на глубину проплавления свыше 1 мм.

По величине поверхности контакта соединяемых изделий:

• Шовное сваривание, при котором образуется глубокий сварной шов. Эта технология широко распространена при сварке труб и изделий из нержавеющей стали. Для сварки применяется как непрерывное, так и импульсное лазерное излучение.
• Точечное сваривание, применяемое, в первую очередь, при производстве электроники. Данную технологию используют при соединении мелких деталей (≤100 мкм) и тонких материалов. При точечной сварке используют, в основном, импульсное лазерное излучение. При этом необходимо установить минимальную мощность, повысить скважность импульса и сократить его длительность.

По способу выполнения:

• Стыковая сварка: между свариваемыми элементами допускается наличие стыка не более 0,2 мм. Соединение производится путем кинжального проплавления материалов на полную толщину, использование присадок и флюса не требуется. Интенсивность лазерного излучения не превышает 1 мВт/см2. Сварной шов следует обязательно защищать от окисления при помощи инертных газов (азот, аргон). Для защиты от пробоя используют гелий.
• Сварка внахлёст: листы металла накладывают друг на друга и обязательно прижимают, чтобы зазор составлял менее 0,2 см. Затем листы сваривают мощным лазерным излучением, при необходимости выполняют двойной шов.

Гибридная лазерная сварка

Эта технология предполагает использование присадочных материалов, например, проволоки. Лазерный сварочный аппарат оснащают механизмами подачи присадочной проволоки. Она подается в рабочую зону синхронно с движением лазерной головы. Толщина проволоки равна диаметру лазерного пятна и ширине сварного шва.

Сферы применения лазерной сварки

• Производство приборов, электронных устройств и сложных механизмов. Лазерная сварка применяется для соединения миниатюрных и тонкостенных деталей, например, элементов микроэлектроники. Метод дает возможность сваривать элементы, находящиеся вблизи от кристаллов микросхем и других деталей, чувствительных к нагреву.
• Производство и ремонт кузовов автомобилей: соединение кузовных элементов из тонколистовой стали, деталей из алюминиевых и магниевых сплавов.
• Производство различных конструкций.
• Производство деталей из титана и титановых сплавов для оборонной, аэрокосмической, судостроительной отраслей и атомной энергетики. В расплавленном состоянии титан вступает в химические реакции с кислородом и водородом, что приводит к насыщению расплава газами и появлению трещин. Лазерная сварка в защитной среде из аргона и гелия позволяет избежать образования трещин.
• Сварка чугуна, применяемая при производстве запорной арматуры, корпусов, элементов шестерен и других компонентов.
• Сварка металлов, имеющих разные химические и физические свойства.
• Производство изделий из пластмассы.

Основные типы оборудования для лазерной сварки

Автоматические лазерные сварочные станки используют на крупных предприятиях, например, в машиностроительной и судостроительной отраслях. Это оборудование отличается высокой стоимостью и трудно доступно малому бизнесу.

Ручные лазерные сварочные аппараты предлагаются по более доступным ценам и широко применяются на средних и малых предприятиях. Хотя эти станки названы «ручными», они обладают достаточно внушительными габаритами. Для удобства перемещения многие модели станков оснащены колесами.

Комплектация ручного станка для лазерной сварки

Независимо от бренда и модели оборудования станок имеет следующие ключевые компоненты:

• Лазерный источник, генерирующий лазерное излучение. Самыми надежными являются волоконные лазерные излучатели производства IPG Photonics Corporation. Это предприятие основано в 1991 г. российским физиком В.П. Гапонцевым. Компания IPG – всемирно признанный лидер в производстве волоконных лазеров. Производственные мощности IPG расположены в США, Европе и России (в г. Фрязино). Источники IPG демонстрируют лучшее качество и стабильность формируемого лазерного луча и лучший коэффициент преобразования электроэнергии в энергию луча лазера. В конструкции источников предусмотрена двойная защита от отраженного излучения, которая гарантирует стабильную работу станка в случае попадания луча в волокно или диодную сборку.
• Сварочная голова, обеспечивающая фокусировку лазерного луча и его подачу в рабочую зону.
• Программный блок управления.
• Блок питания.
• Чиллер – система охлаждения оборудования.
• Блок подачи присадочной проволоки.

Оборудование для лазерной сварки на маркетплейсе INLASER.PRO

На маркетплейсе INLASER.PRO можно приобрести как станки лазерной сварки, так и комплектующие – сварочные головы, волоконные лазерные излучатели, чиллеры, системы газоподготовки, а также оптические элементы. Мы предоставляем комплекс услуг по подбору оборудования, его доставке, монтажу, запуску, настройке и обучению сотрудников. Оборудование для лазерной сварки предлагается по приемлемым ценам.

Услуги лазерной сварки металлов и сплавов

На базе производственного предприятия INLASER функционирует наш Центр лазерных услуг, который принимает заказы на выполнение лазерной сварки металлов и сплавов, а также оказывает другие услуги в области лазерной обработки металлов и неметаллических материалов. Современное высокопроизводительное оборудование позволяет выполнять заказы любого объема и сложности.