Объяснение электронно-лучевой сварки (ЭЛС)
Электронно-лучевая сварка — это процесс, при котором используется тепло, выделяемое при воздействии высокоскоростного пучка электронов, для создания сварного соединения. Электронная…
Лазерная сварка использует высокоточный лазерный луч для соединения металлов и термопластов. Точность и аккуратность этого процесса обеспечивают минимальное тепловое искажение, что делает его идеальным для сварки чувствительных материалов. Чаще всего процесс полностью автоматизирован, что позволяет достигать высоких скоростей сварки.
Давайте подробнее рассмотрим принципы лазерной сварки.
Лазерная сварка, или сварка лазерным лучом (LBW), — это процесс, в котором для расплавления материалов используется концентрированный источник тепла в виде лазера, после чего материалы соединяются при охлаждении. Этот метод универсален, так как позволяет сваривать тонкие материалы на высокой скорости, а также выполнять глубокие и узкие швы в более толстых заготовках.
Хотя оборудование для лазерной сварки стоит дороже, чем традиционные методы сварки, эксплуатационные расходы ниже за счёт отсутствия необходимости в дополнительном присадочном материале и постобработке. Высокая скорость сварки также позволяет производить больше деталей в час. Технология этого процесса значительно отличается от традиционных дуговых методов сварки, таких как MIG, TIG и SMAW. Современные применения лазерной сварки используют программируемых роботов с современными оптическими системами для точного наведения луча на нужную область детали.
Существует два основных типа лазерной сварки, каждый из которых имеет свои особенности и предназначен для определённых задач. Взаимодействие материала с лазерным лучом зависит от плотности мощности луча.
В этом методе сфокусированный лазерный луч расплавляет поверхность основного материала. После затвердевания соединения образуется аккуратный и гладкий сварной шов. Сварные соединения, выполненные этим методом, обычно не требуют дополнительной обработки — качество высокое сразу после сварки.
Передача энергии в зону сварки осуществляется только за счёт теплопроводности, что ограничивает глубину провара и делает процесс идеальным для соединения тонких материалов. Такой тип сварки часто используется для создания видимых швов с высокими эстетическими требованиями.
Существует две подкатегории теплопроводной сварки:
Использование режима глубокой (ключевой) сварки позволяет получать глубокие и узкие швы с однородной структурой. Для металлов используются плотности мощности порядка 1 мегаватта на квадратный сантиметр. Такой режим не только плавит металл, но и вызывает его испарение, формируя узкую паровую полость.
Эта полость, называемая «ключевым отверстием» или «паровым каналом», заполняется расплавленным металлом по мере движения лазерного луча по детали. Ключевая сварка — это высокоскоростной процесс, что минимизирует деформации и образование зоны термического влияния.
Принцип лазерной сварки заключается в использовании лазера с высокой плотностью мощности для нагрева соединения между поверхностями двух металлов. Материал в месте стыка плавится и при затвердевании обеспечивает прочное соединение.
Лазерная сварка обычно выполняется с помощью сварочных роботов, способных точно и быстро подавать большое количество энергии, используя гибкие оптоволоконные системы. Это обеспечивает проплавление достаточного объёма металла, формируя узкие швы с минимальными искажениями. Ручные лазерные сварочные системы становятся альтернативой крупным промышленным установкам, однако их безопасность вызывает вопросы.
Сварку можно проводить в обычных атмосферных условиях, но при работе с реакционноспособными материалами рекомендуется использовать инертный газ для защиты от загрязнений. Аналогично с электронно-лучевой сваркой, лазерную сварку можно выполнять в вакууме, но это экономически нецелесообразно. Поэтому лазерные сварочные аппараты оснащаются газовыми соплами для подачи инертного газа в зону сварки.
Во многих случаях лазерная сварка проводится без использования присадочного материала. Однако для некоторых сложных материалов и задач требуется введение присадки для получения качественного соединения. Присадочный материал улучшает профиль шва, снижает риск образования трещин при затвердевании, повышает механические свойства сварного соединения и позволяет более точно подгонять детали. Присадка может подаваться в виде порошка или проволоки, но из-за высокой стоимости порошков чаще используется проволока.
Четыре наиболее распространённых типа сварных соединений при лазерной сварке — это стыковые, кромочные, с присадкой внахлёст и перекрывающиеся швы.
Лазерная сварка применяется для различных металлов, включая низкоуглеродистую сталь, нержавеющую сталь, алюминий, титан и др. Также можно сваривать менее распространённые материалы, такие как ковар, а также трудносвариваемые сочетания, например медь-медь или медь-алюминий. Сварка высокоуглеродистых сталей не рекомендуется из-за высокой скорости охлаждения, которая может вызывать образование трещин.
Для сварки применяются три основных типа лазерных источников:
Лазер на CO2 — это смесь газов, где основной компонент — углекислый газ, а также азот и гелий. Эти лазеры могут работать в непрерывном или импульсном режиме при низком токе и высоком напряжении для возбуждения молекул газа. Лазеры на CO2 также используются в специальных случаях, например, при сварке двумя лучами, когда лучи располагаются последовательно или рядом друг с другом.
Твердотельные лазеры используют технологию DPSS (накачка твёрдого тела диодом), где в качестве рабочего тела выступают рубин, стекло или кристаллы YAG (иттриево-алюминиевый гранат), YVO4 (иттриево-ванадиевый оксид) с накачкой лазерными диодами. Они работают либо в непрерывном режиме, либо в импульсном. Импульсный режим создаёт швы, схожие со сваркой точками, но с полной проплавкой. Несмотря на некоторые недостатки по сравнению с современными волоконными лазерами, твердотельные лазеры обеспечивают отличную стабильность, качество луча и высокую эффективность.
Лазеры на полупроводниках также относятся к твёрдотельным, но их часто выделяют в отдельный класс. Они используются в недорогих и небольших проектах, а также для сварки в труднодоступных местах благодаря компактности оборудования. Однако качество луча у них значительно хуже, и потому такие лазеры редко применяются в промышленности.
Волоконные лазеры — это современный вид твердотельных лазеров, обладающих большей мощностью, лучшим качеством и более безопасной эксплуатацией. В волоконных лазерах луч формируется при поглощении оптоволокном света от накачивающих диодов. Для создания нужных свойств оптоволокно легируют редкоземельными элементами. Использование различных легирующих элементов позволяет получать лазерные лучи разных длин волн, что делает волоконные лазеры универсальными для различных задач, включая сварку и лазерную резку. Однако стоит отметить, что стандартная головка для лазерной резки не подходит для сварки, а головка для сварки не обеспечивает требуемых скоростей и качества реза в большинстве промышленных приложений.
Лазерно-гибридная сварка сочетает в себе принципы электродуговой и лазерной сварки. Оба процесса одновременно воздействуют на одну и ту же зону, взаимно дополняя друг друга и формируя уникальный метод сварки. Хотя лазерная сварка может комбинироваться практически с любым дуговым методом, некоторые варианты получили наибольшее распространение.
Существует три основных вида лазерно-гибридной сварки:
Гибридная сварка сочетает глубокое проплавление присущее лазерной сварке и профиль шва, сравнимый с дуговыми процессами. Использование защитных газов и расходных материалов для дуговой сварки позволяет контролировать характеристики шва значительно лучше, чем при чисто лазерной сварке. Лазерно-гибридная сварка активно развивается и будет всё шире использоваться в судостроении, железнодорожной, автомобильной промышленности, а также при сварке крупных трубопроводов.
