О технологии лазерной сварки

[laticom]

http://www.laticom.ru/files/images/welding/laser-welding.jpg

Лазерная сварка - технологический процесс получения неразъемного соединения частей изделия путем местного расплавления металлов посредством нагрева по примыкающим поверхностям.

Источником нагрева металла является излучение лазера. Когда лазерный луч попадает на металл, энергия излучения поглощается, металл нагревается и плавится. В результате такого плавления и последующей кристаллизации возникает прочное сцепление, которое называется сварной шов. Такое сцепление основано на межатомном взаимодействии в металле.

Таким образом, лазерная сварка относится к методам сварки плавлением.

Как и любой технологический процесс лазерная сварка имеет свои преимущества и недостатки. К основным преимуществам лазерной сварки можно отнести: локальность обработки материала, высокая производительность, технологическая гибкость и удобство.

Локальность обработки материала

В локальности обработки заключается ключевое преимущество лазерной сварки. Лазерный луч можно сфокусировать в пятно диаметром до 0,1 мм. В таком маленьком пятне может концентрироваться высокая энергия в очень небольшой промежуток времени. Другими словами, при высокой плотности мощности излучения и коротком времени облучения металл нагревается только в зоне лазерного излучения. Это существенно уменьшает объем сварочной ванны (место плавления металла при нагреве), что позволяет делать сварные швы и точки значительно меньше по размеру (ширина шва или диаметр точки), но с большей глубиной проплавления, чем при при помощи других технологий сварки металлов (дуговая и контактная сварка).

 

Кроме того, небольшой объем сварочной ванны, небольшая ширина шва и относительно большая глубина шва, а также жесткий термический цикл с высокими скоростями нагрева и охлаждения дает возможность при лазерной сварке уменьшить зону термического влияния и, следовательно, снизить деформации деталей в целом и снизить эффект фазовых и структурных превращений в околошовной зоне, приводящих к разупрочнению материала, трещинообразованию и т.п.

 

Также малый объем сварочной ванны и специфическая для лазерной сварки форма шва улучшают условия кристаллизации расплавленного металла и, следовательно, улучшают прочность сварных соединений.

Таким образом, преимущество лазерной сварки в локальности обработки материала позволяет:

• проектировать детали меньшего размера, расширить ассортимент деталей со сварным соединением, учитывая исключительно маленький сварной шов при лазерной сварке;
  
• обрабатывать детали миниатюрного размера;
  
• упростить оснастку и технологию сварки некоторых деталей;
  
• осуществлять сварку в труднодоступных местах, например в углублениях гофрированных конструкций и т.п.;
  
• экономить металлы, сварочные материалы;
  
• лазерная сварка практически исключает необходимость обработки сварного шва.
  

Высокая производительность

Производительность процесса сварки определяется скоростью его проведения. Лазерная сварка позволяет увеличить скорость сварки в 10-15 раз по сравнению с традиционными методами сварки плавлением (например, дуговая сварка).Так лазерная сварка непрерывным излучением может происходить со скоростями до 10 м/мин. Время получения одной точки при импульсной лазерной сварке может составлять 10^-2 - 10^-3 с, что на порядок быстрее, чем, например, при контактной сварке.

Технологическая гибкость и удобство

Технология лазерной сварки обладает гибкостью и удобством применения.

Во-первых, оборудование для лазерной сварки легко поддается автоматизации и роботизации. Лазерную сварку можно осуществлять в различных пространственных положениях. Возможна сварка как с перемещением изделия под лазерным лучом, так и с перемещением лазерного луча (лазерной сварочной головки) над и вокруг неподвижного изделия. Возможность передавать лазерное излучение по световоду (кварцевое волокно, Nd:YAG лазеры, волоконные лазеры) позволяет создавать более компактные сварочные головки, доставлять излучение в труднодоступные места и увеличивать пространство перемещения сварочной головки. В целом лазерное оборудование компактнее оборудования, основанного на традиционных методах сварки.

Во-вторых, для осуществления лазерной сварки не требуется обязательного наличия вакуумных камер или камер с контролируемой атмосферой, необходимых, например, для электронно-лучевой сварки, которая во многом может заменить лазерную сварку. Отсутствие таких камер снимает ограничение на размер свариваемых деталей.

В-третьих, лазерную сварку можно проводить не только в труднодоступных местах, но и через прозрачные среды в замкнутых объемах, что связано со спецификой лазерного излучения.

В-четвертых, лазерное излучение позволяет обрабатывать металлы, которые с трудом поддаются обработке обычными методами сварки. Например, феромагнитные стали с трудом поддаются электронно-лучевой сварке из-за отклонения электронного луча магнитным поле от стыка соединяемых деталей.

В-пятых, можно говорить о чистоте процесса лазерной сварки. Например, отсутствие электрода, близко расположенного к поверхности свариваемых деталей и поверхности сварного шва, исключает попадание в нее инородных материалов, что имеет место при дуговой сварке.

Говоря о недостатках технологии лазерной сварки, можно выделить следующие моменты.

 

Высокая стоимость оборудования для лазерной сварки и технологической оснастки

Установка для лазерной сварки - сложный прибор, состоящий из нескольких технических систем (лазер, оптическая система, система перемещения и т.п.). Независимо от уровня развития технологии его цена будет значительно превышать стоимость оборудования, основанного на традиционных методов сварки.

Невысокая энергетическая эффективность лазерной сварки

КПД лазерных установок для сварки в силу технических особенностей лазеров редко когда превышает 10 %.

Сложность в обслуживании оборудования

Как говорилось выше, лазер - это сложный прибор, его обслуживание требует высокий уровень технической подготовки персонала.

[Гефест]

Еще у лазера главный конкурент - плазменный процесс, те же точности, та же чистота сплава, выше оперативность, и вообще миниатюрные детали - удел плазмы, кроме идейного - лазер дает плавление с любых позиций, технически позволяя параметризировать операцию нагрева корректировками собственным потоком, единственное исключение - большинство сварочных операций проектировались под термику потоков, лазер чужд проектировщикам, а цены на установки - отдельный разговор.