Сварка – это процесс получения неразъёмного соединения 2-х частей материала, путём местного или общего нагрева. Вообще этот метод обработки делится на 3 класса: механический, термомеханический и термический. Последний включает такие виды сварки, как: газовая, дуговая, плазменная, электронно-лучевая и лучевая (лазерная). Технология плавления с использованием тепловой энергии лазера появилась в конце 70-х годов 20 века. Изначально способ применялась исключительно в промышленном производстве. Сегодня лазерная сварка доступна всем; как крупным предприятиям, так небольшим организациям и частным лицам.
Что такое лазерная сварка
Лазерная (лучевая) сварка – это термический способ соединения деталей, осуществляемый плавлением под воздействием тепловой энергии лазерного луча. Технология является универсальной, поскольку определяет широкий спектр материалов для сваривания, среди которых:
- Стали: углеродистые; низколегированные; высокопрочные; нержавеющие.
- Сплавы: алюминия; меди; бронзы; латуни; титана; цинка; хрома; никеля.
- Стекло: кварцевое; натриево-силикатное; известковое; свинцовое.
- Пластики: термопласты; реактопласты; эластомеры.
- Драгоценные металлы: золото; серебро; платина.
Сварка лазерным лучом отличается высокой плотностью энергии в пятне контакта. Поэтому разогрев и охлаждение шва происходят очень быстро. Вдобавок околошовная зона нагревается слабо, что никак не нарушает свойства материала (речь об отсутствии разупрочнения).
Например, в некоторых странах нельзя эксплуатировать алюминиевые автомобильные диски после аргоновой сварки, потому что структура металла около шва, в следствии нагрева, не соответствует заводскому уровню прочности. (Стандарт безопасности ISO 14400 и запрет EUWA [Association of European Wheel Manufactures] – Ассоциации европейских производителей автомобильных колёс). Поэтому, если нужно заварить алюминиевый автомобильный диск, то лучше использовать лазерную технологию, с целью безопасной эксплуатации колеса.
Важно! Сварка лазерным лучом обладает главным преимуществом – во время процесса сваривания зазора образуется шов с большой плотностью. Характерные дефекты при обычной сварке, такие как: поры, полости, трещины, непровары, несплавление, нарушения формы, твёрдые включения и прочие недостатки – в этой технологии отсутствуют.
Технология лазерной сварки
Процесс лазерной сварки очень похож на другие виды термического соединения деталей. Скорость обработки зависит от типа материала, энергетического режима, толщины и ширины шва. (Например, темп промышленной лазерной сварки стальных листов толщиной 20 мм достигает 200 м/ч.). В целом процедура выглядит так:
- Подготовка материала (зачистка краёв, обработка поверхности обезжиривающим составом).
- Выставление соединяемых деталей по зазору встык (или внахлёстку).
- Прогрев точки материала лазерным лучом до плавления.
- Формирование сварной ванны методом плавлением.
- Перемещение оптической головки вдоль зазора.
- Охлаждение готового шва.
- Обработка поверхности.
Технология лучевой сварки одинакова, как для автоматических станков, так и для ручных аппаратов. Шов получается ровный, эстетичный и гладкий, без деформаций и различных искривлений. Наличие дефектов, таких как: пустоты, непровары, наплавления, кратеры, раковины и сквозные отверстия – говорит об ошибках настройки станка или работы сварщика (для ручных аппаратов).
Способы лазерной сварки
Способы лазерной сварки определяются спецификацией материала и конструктивными особенностями будущего или ремонтного изделия. Для одних требуется стыковой метод, а для других внахлёстку.
Стыковой
Применяется для точного соединения материала встык, шириной зазора 0,2 – 0,5 мм, обеспечивая ровную плоскость. Вместе с термическим воздействием лазерного луча здесь используются дополнительные присадки или флюс. Проплавление зазора происходит беспрерывным швом. Интенсивность лазерного излучения достигает 1 мВт/см2 (для металла).
Внахлёстку
Используется для соединения листов и других конструкций внахлёст. То есть, с наложением края или конца какого-либо материала на край или конец другого. Подходит при условии плотного прилегания поверхностей друг к другу, с допустимым зазором 0,2 мм.
Режимы лазерной сварки
Технология лучевой сварки разделяется на 2 режима: точечный и шовный. В процессе обработки материала лазерные станки способны генерировать 2 типа излучения: импульсное и непрерывное:
- Импульсное. Используется в точечном соединении.
- Непрерывное. Используется в шовном соединении.
Сварка точками применяется для соединения тонких материалов, а шовный режим прекрасно подходит для формирования глубоких швов между толстыми листами или изделиями.
Ещё существует гибридный режим лазерной сварки (GMAW-Laser). Вместе лучом здесь применяется присадочная проволока. Она постепенно закладывается в сварочную ванну, по ходу движения оптической головки, где плавится под воздействием высокой температуры лазера. Гибридный режим сварки нашёл применение в промышленном производстве, для соединения толстых материалов.
Лазеры для сварки
Для сварки используются только два вида лазерных аппаратов: твердотельные (Nd; YAG) и газовые (СО2). Есть ещё волоконные лазеры, но они применяются для поверхностной обработки изделий, такой как маркировка и гравировка.
Твердотельный
Неодимовый (Nd:YAG лазер) – самый популярный вид твердотельного лазерного излучателя, активная среда которого состоит из: кристалла алюмо-иттриевого граната («YAG», Y3Al5O12), легированного ионами редкоземельного металла неодима Nd. Активируются световым потоком, испускаемым мощными дуговыми излучателями. Применяются Nd:YAG-лазеры для сварки небольших и тонких материалов.
Газовые
Газовый СО2-лазер – самый мощный тип лучевой технологии. Работает на основе пропуска электрического тока через газовую смесь (возбуждение постоянным током) или с использованием техники радиочастотной энергии (возбуждение РЧ). Газовая смесь состоит из двуокиси углерода, гелия и азота. Применяются CO2-лазеры в промышленности для сварки материалов любой сложности и толщины (например, стали до 2 см).
Где применяется лазерная сварка
Технология лазерной сварки определяет широкий спектр материалов для соединения. Поэтому использование лучевого метода находит всё больше заинтересованных представителей различных отраслей промышленности. В первую очередь это инновационные производства, где выпускается передовая продукция.
Электроника
Лазеры прекрасно сваривают корпусы резисторов, конденсаторов и других радиокомпонентов для электронной промышленности, а также специальное технологическое оборудование и аппаратуру для приборостроения. Высокая точность луча позволяет варить компоненты, расположенные вблизи кристаллов микросхем или других элементов, чувствительных к высоким температурам.
Автомобилестроение
Лазерная сварка применяется в производстве автомобилей. Лучевым способом соединяют детали из алюминия и алюминиевых сплавов, металлические панели кузова, нержавеющих элементов и даже стёкол. Например, лазерная сварка крыши применяется для всего модельного ряда автомобилей, выпускаемых в Калуге, – это не только Volkswagen, но и Skoda.
Судостроение
Строители кораблей сегодня всё чаще используют технологию LaserHybrid. Благодаря сочетанию лазерной и дуговой технологий увеличивается как глубина проплавления, так и скорость сварки (в сравнении с результатами использования любой из традиционных технологий по отдельности). Режим кинжального проплавления, характерный для лазерной сварки, обеспечивает минимальную ширину зоны теплового воздействия на металл, более равномерный нагрев внешнего и внутреннего листов и, следовательно, наиболее низкий уровень временных и остаточных напряжений и деформаций
Заключение
Лазерная сварка – это современная технология соединения различных материалов: от стали и алюминия, до стекла и драгоценных металлов. Шов получается гораздо качественней, чем у традиционных методов термического плавления. А это гарантирует надёжность и долговечность. Вдобавок скорость и точность сваривания выводит любое предприятие на более высокий технологический уровень производства.
