Плюсы и минусы сварки лазером

Преимущества и недостатки лазерной сварки

Преимущества лазерной сварки

Лазерная сварка имеет ряд очень важных преимуществ, по сравнению с другими способами сварки:

• зона термического влияния имеет узкую зону, поскольку сварка производится с высокой скоростью нагрева и охлаждения, которые также снижают неблагоприятные изменения структуры и свойств металла в ней;
• в сравнении с электронно-лучевой сваркой, лазерная сварка не требует использования вакуумных камер, что значительно сокращает время на выполнение работ и снимает ограничение габаритов изделий;
• острая фокусировка луча и возможность передачи его на значительные расстояния дает возможность сваривать в тяжело доступных местах;
• лазерная установка может использоваться для сварки на нескольких рабочих местах, поскольку луч лазера можно отклонять с помощью зеркала;
• не происходит деформация изделий, если есть, то небольшая. Высокая концентрация энергии дает возможность получать ширину сварных швов в 2-5 раза меньше, с большим на порядок соотношением глубины провара к ширине шва, что дает возможность уменьшить деформацию деталей до 10 раз.

Область применения лазерной сварки

Как уже говорилось, лазерной сваркой можно соединять детали с любыми габаритами,
но наиболее хорошо отработана сварка деталей малой и средней толщины (5-10мм).
На практике широкому внедрению этого способа сварки препятствуют соображения
экономической целесообразности вследствие высокой цены технологических лазеров
и другого оборудования. Экономически целесообразно применение этого вида сварки
лишь в тех случаях, когда применение других видов невозможно, или сопряжено
с какими-либо трудностями.

Лазерную сварку целесообразно применять в тех случаях, когда форма и размеры
свариваемой конструкции не должны существенно изменяться в процессе сварки,
из чего следует, что применение этого процесса способно обеспечить минимальные
деформации и напряжения при сварке.

Также данный вид сварки значительно упрощает технологию изготовления изделия,
т.к. сварка выполняется как заключительная операция, обеспечивая необходимую
точность, и последующие операции правки или механической обработки отсутствуют.
А учитывая, что лазерная сварка является высокопроизводительным процессом, выполняемым
на скоростях 100-200 м/ч, что превышает скорость обычной дуговой сварки в несколько
раз, это делает её применение целесообразным при изготовлении крупногабаритных
конструкций, не обладающих большой жёсткостью и со сварными швами, расположенными
в труднодоступных местах.

Также этот вид сварки хорошо подходит для соединения трудносвариваемых материалов,
в том числе и разнородных, при этом, в отличии от электронно-лучевого вида сварки,
не требуется наличия вакуумных камер.

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.

Условия и способы сварки лазером

Лазерная сварка нержавеющей стали, сплавов и материалов должна проводиться в соответствии с определенными особенностями. Чтобы получить повышенную мощность луча требуется его точная фокусировка. В момент, когда показатели интенсивности пучка становятся выше максимального значения, он пропускается через центральную область переднего зеркала и далее через систему направляющих призм к рабочей области.

Лазерная сварка нержавейки и других металлов может осуществляться при разном нахождении свариваемых изделий. Глубина проплавления металлической структуры может регулироваться в широком диапазоне — от поверхностного до сквозного. Рабочий процесс может проводиться непрерывным лучом или прерывистыми импульсами.

Обратите внимание! Лазерная импульсная сварка подходит для соединения и обработки изделий из тонкого листового проката. Кроме этого данная технология может с легкостью сваривать профили со сложной конструкцией и детали с большой толщиной

Стоит учитывать, что лазерная сварка алюминия, меди, нержавейки и других металлов может проводиться несколькими способами:

1. Стыковой метод. Не требует наличия присадок, флюса. Между металлическими изделиями может присутствовать стык, но его размер должен быть не более 0,2 мм. Этот же показатель считается предельным для фокусировки лазерного луча на стык. Сварочный процесс осуществляется при помощи «кинжальной» проплавления металлических поверхностей на всю толщину, при этом наблюдается интенсивность лазерного излучения до 1 мВт/см2. В данных ситуациях шов требуется защищать от окисления, для этого подойдет аргон или азот. А вот гелий сможет предотвратить пробои лазерного излучения.
2. Нахлесточный метод. Во время сваривания листы накладываются друг на друга, их соединение производится мощным излучением. Во время сварки применяется локальный прижим изделий. Предельный зазор между поверхностями металлических изделий при работе должен составлять не более 0,2 мм.

Условия для работы лазером и техника безопасности

Для получения мощного луча требуется фокусировка. Она достигается благодаря нескольким последовательным отражениям. При превышении порогового значения интенсивности поток попадает в центр переднего зеркала, откуда подается в направляющие призмы и выходит в рабочую зону. Лазерная сварка проводится в любых условиях: при разных вариантах расположения деталей и глубины проплавления. Соединение формируют точечно или непрерывно.

Рекомендуем к прочтению Что такое автоматическая сварка

Сварочный процесс имеет некоторые особенности, которые могут привести к травмированию мастера при несоблюдении техники безопасности:

1. На пути луча не должно быть посторонних предметов. Если в рабочую область попадает рука сварщика, человек получает глубокий ожог.
2. Перед началом сварки нужно проверять целостность и исправность основных элементов установки. В противном случае качество шва снижается, мастер рискует получить травму.
3. На рабочем месте не должны находиться легковоспламеняющиеся предметы.

Лазерная сварка металлов и сплавов

Каждый из видов сварки имеет свои преимущества и области применения.

Аргоновая сварка проводится в среде инертного газа — аргона. Это максимально надежный метод электрической дуговой сварки, в процессе которого в среде аргона образуется сварочная дуга между кромкой детали и электродом. При этом используются, как плавящиеся, так и неплавящиеся электроды. Аргон поступает через горелку в сварочную ванну автоматически и непрерывно в течение всего процесса. Он обеспечивает защиту от атмосферного воздействия и тем самым надежно защищает от возникновения дефектов в образующихся сварочных швов. Аргоновая дуговая сварка дает лучшее качество и прочность из всех прочих методов дуговой сварки.

Преимущества данного вида сварки

• Аргон для сварки тяжелее воздуха, поэтому при соблюдении технологии кислород не проникнет в сварочную зону и не вызовет окисления шва.
• Дуга обеспечивает высокую тепловую мощность, поэтому работа проводится быстро и качественно.
• Можно сварить металлы, которые при других типах сварки не соединяются.

При сварке полуавтоматом в качестве плавящегося электрода выступает сварочная проволока, подающаяся в зону сварки. В процессе сварки происходит нагрев обрабатываемых поверхностей, так как между находящимся под напряжением электродом и металлом, в смеси газов и паров образуется электрический разряд. Качество шва улучшается за счет инертного газа, предотвращающего образование окислов. Полуавтоматическим этот метод сварки называется потому, что проволока подается автоматически, а контроль подачи и, собственно, процесс сваривания осуществляется сварщиком вручную.

Преимуществами полуавтоматической сварки по сравнению с ручной дуговой сваркой являются:

• Повышенная производительность и экономичность
• Возможность автоматизации
• В некоторых случаях лучшее качество шва

В конденсаторной сварке генерируется короткий импульс тока, который плавит металл и соединяет детали. Импульс тока формируется путем разряда конденсаторов за время 1-3 мс. Короткое время разряда минимизирует зону термического влияния в сварном соединении. Кроме того, простота дозирования энергии и усилия осадки приводит к стабильно высокому качеству соединений. Этот метод эффективно используется для приварки крепежа.

Лазерная сварка имеет ряд неоспоримых преимуществ, которые выделяют ее на фоне других способов соединения деталей путем плавления. Особенностью лазерной сварки является то , что образование сварной ванны осуществляется путем нагрева материала лазерным пятном малых размеров. Формирование лазерного пятна осуществляется с помощью оптической системы. Таким образов лазерная сварка является бесконтактным методом сварки.

Лазерная сварка позволяет:

• Осуществлять локальное воздействие на материал без перегрева всей поверхности изделия, что сохраняет целостность его форм и ровность линий.
• Сформировать глубокий провар, без образования наплывов с обратной стороны.
• Реализовать возможность соединения тонких элементов, которая невозможна в аргоновой сварке;
• Производить сварочные работы на деталях малых размеров за счет точной концентрации энергию в определенном месте детали.
• Проплавлять металл на большую глубину при этом добиваться небольшой ширины шва,
• Реализовать повышенную скорость производственного процесса;
• Выполнять сварку в труднодоступных местах

Важным преимуществом лазерной сварки является то, что этот метод легко поддается автоматизации.

Если материал очень тонкий

Особенностью работы с такими листами является высокая вероятность прожога. Снизить риск появления дефекта помогает контроль следующих параметров сварочной установки:

• мощности генерируемого луча;
• скорости перемещения головки;
• фокусировки рабочей точки.

Соединяя тонкие детали, устанавливают минимальную мощность. При использовании непрерывной технологии сварочную головку перемещают с большей скоростью. В точечном режиме уменьшают длительность импульсов. Если плотность потока не меняется при снижении мощности, применяют принудительную расфокусировку луча. КПД падает, однако риск образования прожога сокращается.

Технология лазерной сварки

Принцип работы лазерной сварки основывается на следующих свойствах:

• когерентностью. В основе этого показателя лежит взаимосвязь фаз теплового поля луча лазера в разных зонах;
• монохроматичностью. Данное свойство характеризуется небольшой шириной спектральных линий, которые излучаются источником;
• направленностью. При проведении сварочного процесса не происходит рассеивание луча при его движении от источника к свариваемому изделию.

Благодаря этим показателям повышается мощность лазерного луча, он обеспечивает точное размеренное плавление и испарение металлов в зоне сваривания. Источник может быть на некотором расстоянии от свариваемой зоны, а в области сварочной лазерной ванны не требуется присутствия вакуума.

Так как работает лазерная сварка? При соединении изделий с применением лазерного луча наблюдаются следующие процессы:

1. Элементы, которые подготовлены для соединения, плотно соединяются друг с другом вдоль линии будущего соединения.
2. Далее на область стыка наводится лазерный луч.
3. Включается генератор. Во время этого начинается равномерное разогревание, плавление и испарение частиц на кромках.
4. В связи с тем, что сечение лазерного луча имеет небольшие размеры, расплавленный металл заполняет все микронеровности и дефекты изделий, которые попадают в зону действия лазерного луча.

Важно! Сварка лазером имеет положительную особенность – во время нее образуется сварное соединение с большой плотностью. А вот пористость, и прочие дефекты, которые присущи другим методам сварки, во время этой технологии отсутствуют

В связи с тем, что лазерный луч перемещается по соединяемым поверхностям с высокой скоростью, в ходе сварочного процесса не возникает окисления металла

При помощи луча можно делать два вида шва – сплошной и прерывистый. При помощи первого варианта сваривают трубы из нержавеющей стали, где необходима высокая герметичность. Второй вид используется при сваривании небольших конструкций, которые имеют поверхностные повреждения

В связи с тем, что лазерный луч перемещается по соединяемым поверхностям с высокой скоростью, в ходе сварочного процесса не возникает окисления металла. При помощи луча можно делать два вида шва – сплошной и прерывистый. При помощи первого варианта сваривают трубы из нержавеющей стали, где необходима высокая герметичность. Второй вид используется при сваривании небольших конструкций, которые имеют поверхностные повреждения.

Общая информация

Лазерный сварочный аппарат назван так, поскольку для соединения металлов используется лазер. Он выступает в роли источника энергии, нагревая и плавя металлическую заготовку. С помощью лазера можно соединять даже разнородные металлы. Сварка лазером часто используется в радиоэлектронике, поскольку позволяет выполнять даже самые мелкие работы.

Существует три разновидности сварки лазером:

• Микросварка лазером (глубина проплавления металла не превышает 100 мкм);
• Минисварка лазером (глубина проплавления находится в пределах 0.1-1 мм);
• Маркосварка лазером (глубина проплавления металла от 1 мм и более).

Приведем более детальное описание технологии, чтобы вы лучше понимали суть лазерных аппаратов. Аппарат генерирует лазерный луч, который направляется в специальную систему фокусировки, где излучение сужается в пучок меньшего диаметра.

После сужения лазерный луч направляется на металлическую заготовку. Там излучение частично проникает внутрь металла, но и частично отражается от него. В месте, где излучение поглотилось, металл начинает нагреваться и плавиться. Если производится работа с очень тонким металлом, то луч наоборот необходимо немного расфокусировать.

Как видите, технология проста и понятна. Но для ее осуществления необходимы технологичные дорогие аппараты. Сварка лазером может быть частичной или сквозной, пространственное положение шва не играет никакой роли. Это значит, что вы можете сформировать соединение в любом пространственном положении и не испытаете при этом трудностей.

Иногда сварка производится в сочетании с присадочными материалами. Это может быть проволока, порошок или специальная лента.

Достоинства и недостатки

У лазерной технологии есть несколько ключевых достоинств, которые позволяют ей быть востребованной. Прежде всего, отметим высокую точность выполнения работ. Как уже говорилось выше, возможна сварка даже самых тонких заготовок. При этом металл не деформируется и не нуждается в дополнительной механической обработке.

Второе достоинство — это высокая скорость работы. Лазерные установки способны варить до 100 метров шва в час. Тогда как классическая ручная дуговая сварка позволяет сварить до 15 метров шва за час, с учетом постоянной смены электродов. И все это при сварке стального листа толщиной до 20 мм.

Также лазерный метод очень экологичный. На многих предприятиях остро стоит вопрос экологии, и в данном случае традиционные методы сварки проигрывают, поскольку в ходе той же РДС сварки образуется много отходов в виде огарков. И их нужно как-то утилизировать.

У лазерных аппаратов всего один недостаток, но он очень существенный. И во многом благодаря ему лазерный метод не завоевал большую популярность.

Лазерная технология проста в теории, но на деле для ее осуществления необходимы высокотехнологичные аппараты.  На данный момент оборудование для лазерной сварки стоит очень и очень дорого. Поэтому его применяют только при мелких работах, где важна точность. На крупных производствах предпочитают контактную сварку, полуавтоматическую или ручную дуговую.

Это интересно: Лазерная сварка алюминия — технология, условия, способы, оборудование