Схема лазерной сварки: Лазерная сварка | Рудетранс

Лазерная сварка | Рудетранс

При лазерной сварке нагрев и плавление металла осуществляется лазерным лучом оптического квантового генератора (ОКГ).

Общепринятые обозначения лазерной сварки

LBW – Laser Beam Welding – сварка лазерным лучом

Сущность лазерной сварки

Лазерный луч по сравнению с обычным световым лучом обладает рядом свойств – направленностью, монохроматичностью и когерентностью.

Благодаря направленности лазерного луча его энергия концентрируется на сравнительно небольшом участке. Например, направленность лазерного луча может в несколько тысяч раз превышать направленность луча прожектора.

Если обычный «белый» свет состоит из лучей с различными частотами, то лазерный луч является монохроматичным – имеет определенную частоту и длину волны. За счет этого он отлично фокусируется оптическими линзами, поскольку угол преломления луча в линзе постоянен.

Когерентность – это согласованное протекание во времени нескольких волновых процессов. Некогерентные колебания светового луча обладают различными фазами, в результате чего могут погасить друг друга. Когерентные же колебания вызывают резонанс, который усиливает мощность излучения.

Благодаря вышеперечисленным свойствам лазерный луч может быть сфокусирован на очень маленькую поверхность металла и создать на на ней плотность энергии порядка 10⁸ Вт/см² – достаточную для плавления металла и, следовательно, сварки.

Для лазерной сварки обычно используются следующие типы лазеров:

• твердотельные и
• газовые – с продольной или поперечной прокачкой газа, газодинамические.

Лазерная сварка твердотельным лазером

Схема твердотельного лазера приведена на рисунке ниже. В качестве активного тела используется стержень из рубина, стекла с примесью неодима (Nd-Glass) или алюмо-иттриевого граната, легированного неодимом (Nd-YAG) либо иттербием (Yb-YAG). Он размещается в осветительной камере. Для возбуждения атомов активного тела используется лампа накачки, создающая мощные вспышки света.

Рисунок. Схема твердотельного лазера

По торцам активного тела размещены зеркала – отражающее и частично прозрачное. Луч лазера выходит через частично прозрачное зеркало, предварительно многократно отражаясь внутри рубинового стержня и таким образом усиливаясь. Мощность твердотельных лазеров относительно невелика и обычно не превышает 1–6 кВт.

Твердотельными лазерами в связи с их небольшой мощностью свариваются только мелкие детали небольшой толщины, обычно объекты микроэлектроники. Например, привариваются тончайшие выводы из проволок диаметром 0,01–0,1 мм, изготовленные из тантала, золота, нихрома. Возможна точечная сварка изделий из фольги с диаметром точки 0,5–0,9 мм. Лазерной сваркой выполняется герметичный шов катодов кинескопов современных телевизоров.

Катод представляет собой трубку длиной 2 мм, диаметром 1,8 мм, толщиной стенки 0,04 мм. К трубке приваривается донышко толщиной 0,12 мм, материал изделия – хромоникелевый сплав. Сварка таких мелких деталей возможна за счет высокой степени фокусировки луча и точной дозировки энергии путем регулировки длительности импульса в пределах 10^-2–10^-7 с.

Сварка газовым лазером

Более мощными являются газовые лазеры, в которых в качестве активного тела используют смесь газов, обычно СО₂+N₂+Не. Схема газового лазера с продольной прокачкой газа приведена на рисунке ниже. Газ из баллонов прокачивается насосом через газоразрядную трубку. Для энергетического возбуждения газа используется электрический разряд между электродами. По торцам газоразрядной трубки расположены зеркала. Электроды подключены к источнику питания. Лазер охлаждается водяной системой.

Рисунок. Газовый лазер с продольной прокачкой газа

Недостатком лазеров с продольной прокачкой газа являются их большие габаритные размеры.

Более компактны лазеры с поперечной прокачкой газа (см. рисунок ниже).

Рисунок. Газовый лазер с поперечной прокачкой газа

Они позволяют достичь общей мощности 20 кВт и больше, что дает возможность сваривать металлы толщиной до 20 мм с достаточно высокой скоростью, около 60 м/ч.

Наиболее мощными являются газодинамические лазеры (на рисунке ниже). Для работы используются газы, нагретые до температуры 1000–3000 К. Газ истекает со сверхзвуковой скоростью через сопло Лаваля, в результате чего происходит его адиабатическое расширение и охлаждение в зоне резонатора. При охлаждении возбужденных молекул CO₂ происходит переход их на более низкий энергетический уровень с испусканием когерентного излучения. Для накачки может использоваться другой лазер или другие мощные источники энергии. Такой лазер мощностью N = 100 кВт позволяет, например, сваривать сталь толщиной 35 мм с очень высокой скоростью, около 200 м/ч.

Рисунок. Газодинамический лазер

Схема процесса лазерной сварки приведена на рисунке ниже.

Рисунок. Схема процесса лазерной сварки

Лазерная сварка производится в атмосферных условиях, без создания вакуума, необходима защита расплавленного металла от воздуха. Обычно для защиты используются газы, в частности аргон. Особенностью процесса лазерной сварки является то, что вследствие высокой тепловой мощности луча на поверхности свариваемого изделия происходит интенсивное испарение металла. Пары ионизируются, что приводит к рассеиванию и экранированию луча лазера. В связи с этим при использовании лазеров большой мощности в зону сварки необходимо подавать, кроме защитного, так называемый плазмоподавляющий газ. В качестве плазмоподавляющего газа обычно используют гелий, который значительно легче аргона и не рассеивает луч лазера. Для упрощения процесса целесообразно применение смесей 50% Аг + 50% Не, которые выполняют плазмоподавляющую и защитную функции. В этом случае сварочная горелка должна обеспечивать подачу газа таким образом, чтобы он сдувал ионизированный пар.

Рисунок. Конструкции сопел горелок для лазерной сварки

При лазерной сварке луч постепенно углубляется в деталь, оттесняя жидкий металл сварочной ванны на заднюю стенку кратера. Это позволяет получить «кинжальное» проплавление при большой глубине и малой ширине шва.

Высокая концентрация энергии в лазерном луче позволяет достигать высоких скоростей сварки, обеспечивая одновременно благоприятный термический цикл и высокую технологическую прочность металла шва.

Преимущества лазерной сварки

Важнейшим преимуществом лазерной сварки твердотельными лазерами является возможность очень точной дозировки энергии, поэтому удается обеспечить получение качественных соединений при изготовлении очень мелких деталей.

Для мощных газовых лазеров преимуществом является получение большой глубины проплавления при малой ширине шва. Это позволяет уменьшить зону термического влияния, сократить сварочные деформации и напряжения.

Кроме того, лазерная сварка обладает рядом преимуществ, не присущих другим способам сварки. Лазер может быть расположен на достаточно большом удалении от места сварки, что в ряде случаев дает существенный экономический эффект. Например, известна установка для лазерной сварки при ремонте трубопроводов, проложенных по дну водоема. Внутри трубы перемещается тележка с вращающимся зеркалом. Лазер же находится у конца секции трубопровода и посылает луч внутри трубы. Это позволяет осуществлять лазерную сварку, не снимая с трубопровода балласт и не поднимая его на поверхность.

Легкость управления лазерным лучом с помощью зеркал и волоконной оптики позволяет осуществлять сварку в труднодоступных, иногда не находящихся в пределах прямой видимости местах. Возможна также лазерная сварка нескольких деталей от одного лазера расщепленным с помощью призм лучом.

Недостатки технологии

Недостатками лазерной сварки являются высокая сложность и стоимость оборудования, низкий КПД лазеров. По мере развития лазерной техники эти недостатки устраняются.

Инструкция по ручной лазерной сварке [часть 1]

Большинство изделий из нержавеющей стали производятся с помощью аргонодуговой сварки и других распространенных методов сварки. Хотя эти методы могут удовлетворить 80% потребностей производства, они оставляют дефекты во многих сварочных изделиях. Например: подрезы, неполное проплавление, плотная пористость и трещины. Это не только снижает прочность соединения, но и становится источником щелевой коррозии. Кроме того, рабочие этапы обработки после сварки выполняются очень медленно.

В связи с этими недостатками появился
ручной лазерный оптоволоконный аппарат
ручной лазерный оптоволоконный аппарат
для сварки. Технология ручной лазерной сварки в основном использует лазерный луч в качестве источника энергии для воздействия на сварочное соединение для достижения цели сварки. Это новый метод сварки с хорошими сварочными характеристиками и небольшой деформацией, который широко используется в обработке и сварке различных металлов. Ручной аппарат лазерной сварки имеет преимущества простого управления, красивого сварного шва, высокой скорости сварки и отсутствия расходных материалов.

Сварка лазерным сварочным аппаратом тонких листов из нержавеющей стали, железных и оцинкованных листов, а также других металлических материалов может прекрасно заменить традиционную аргонодуговую сварку, электросварку и другие процессы.

Ручной лазерный сварочный аппарат может быть широко использован при производстве шкафов, лестниц, лифтов, духовок, дверей из нержавеющей стали и оконных ограждений, распределительных коробок, домах из нержавеющей стали и в других отраслях промышленности со сложным нерегулярным процессом сварки.

Скорость ручной лазерной сварки высокая, в 2-10 раз выше, чем традиционная сварка. Сварочный шов после сварки получается ровным и красивым, что сокращает последующий процесс шлифовки, экономит время и затраты. Заготовка для лазерной сварки не имеет деформации, сварочных шрамов и прочной сварки. Расходных материалов для лазерной сварки меньше, и они имеют длительный срок службы.

Основные характеристики ручной лазерной сварочной машины

• Она проста в эксплуатации и может использоваться обычными работниками без больших затрат на обучение.
• Имеет преимущества высокой эффективности, большого размера сварки, быстрой скорости сварки, тонкого и красивого шва, и уменьшает последующий процесс шлифовки.
• Она может быть широко использована для сварки нержавеющей стали, железных, алюминиевых и оцинкованных пластин, а также других металлических материалов.
• Точка сварки и зона теплового воздействия мала, сварочный верстак не нужен, также нет необходимости в большой площади для размещения оборудования.

Преимущества машины для ручной лазерной сварки

Для мастерской, которая занимается мелкосерийной обработкой или сваркой в малых масштабах, ручная лазерная сварочная система является лучшим выбором.

Ключевым моментом является то, что сварочные изделия небольших мастерских разнообразны, а форма изделий гибкая. Ручная лазерная сварка может полностью удовлетворить этот спрос.

Ручной лазерный сварочный аппарат удобен не только для сварки пресс-форм, кухонной утвари и других изделий, но и для сварки на открытом воздухе. Нержавеющая сталь, алюминий, медь, золото и серебро ювелирные изделия также могут быть сварены ручным лазерным сварочным аппаратом.

Применение ручной лазерной сварочной системы

В качестве важной поддержки «зеленых» технологий, технология лазерной сварки имеет очевидные конкурентные преимущества по сравнению с традиционными методами.

Благодаря высокой скорости, высокой точности, низкому энергопотреблению и многим другим преимуществам, она широко используется в микроэлектронике и электроприборах, автомобильной и аэрокосмической промышленности, машиностроении, полиграфии и и других важных областях экономики.

Технология лазерной сварки является одним из важных применений лазерной обработки. Среди них важное применение ручной лазерной сварки сосредоточено в сложных и нерегулярных процессах сварки без приспособления, таких как листовой металл, шасси, резервуар для воды, распределительная коробка, кухонный шкаф, дверные и оконные ограждения из нержавеющей стали и т. д.

В последние годы, в связи с бурным ростом развития новых энергетических транспортных средств, было увеличено производство количество аккумуляторных батарей, и индустрия лазерной сварки достигла дальнейшего роста.

Проблемы ручной системы лазерной сварки

Несмотря на то, что ручные лазерные сварочные системы становятся все более популярными на рынке, все еще существуют некоторые проблемы.

В большинстве ручных лазерных сварочных аппаратов, предлагаемых производителями оборудования, используются непрерывные волоконные лазеры мощностью от 200 Вт, 300 Вт, 500 Вт до 1500 Вт.

В целях безопасности сварщик должен пройти строгую подготовку, а лазер ни в коем случае не должен задеть людей или окружающие предметы, иначе это может привести к серьезным ожогам или даже вызвать пожар.

Кроме того, хотя в процессе сварки лазер обращен к заготовке, он все равно будет давать отражение высокой яркости, поэтому оператор должен быть оснащен специальными светозащитными очками.

Какие проблемы решает ручная лазерная сварочная система?

1. Применение в производстве кухонной посуды

Ручной лазерный сварочный аппарат при производстве кухонной утвари может сэкономить около 80% ~ 90% электроэнергии.
По сравнению с дуговой сваркой, стоимость обработки может быть снижена примерно на 30%. Он может
сваривать разнородную сталь и разнородные металлы.

2. Применение в области обработки листового металла

В области обработки листового металла, по сравнению с традиционной аргонодуговой сваркой, лазерная сварка имеет очевидные преимущества: высокая эффективность, малая тепловая деформация, красивый внешний вид, высокая прочность, отсутствие необходимости полировки после сварки, бесшовная стыковая сварка.

3. Применение в области сварки сантехники из нержавеющей стали

В процессе сварки сантехники из нержавеющей стали, ручная лазерная сварка обеспечивает бесшовное сращивание сантехнических кранов, раковин и т. д. Для сварки под углом может быть достигнуто 360° сварки, что является простым в эксплуатации и более удобным.

Сварка на оптоволоконном лазерном аппарате для сварки металла XTW-1000 RAYCUS

На нашем сайте вы можете приобрести оптоволоконный аппарат для лазерной сварки металла:

Что такое лазерная сварка и как она работает?

Лазерная сварка — это процесс, используемый для соединения металлов или термопластов с использованием лазерного луча для образования сварного шва. Будучи таким концентрированным источником тепла, лазерная сварка тонких материалов может выполняться с высокой скоростью сварки, измеряемой метрами в минуту, а в более толстых материалах может производиться узкие и глубокие сварные швы между деталями с прямоугольными кромками.

Лазерная сварка работает в двух принципиально разных режимах: сварка с ограниченной проводимостью и сварка с замочной скважиной. Режим, в котором лазерный луч будет взаимодействовать со свариваемым материалом, будет зависеть от плотности мощности поперек луча, падающего на заготовку.

Сварка с ограниченной проводимостью происходит, когда удельная мощность обычно меньше 105 Вт/см2. Лазерный луч поглощается только поверхностью материала и не проникает сквозь нее. Сварные швы с ограниченной проводимостью часто имеют высокое отношение ширины к глубине.

Лазерная сварка обычно выполняется с использованием более высокой плотности мощности с помощью механизма с замочной скважиной. Когда лазерный луч фокусируется в достаточно маленьком пятне, чтобы обеспечить плотность мощности, как правило, > 106-107 Вт/см2, материал на пути луча не только плавится, но и испаряется до того, как значительное количество тепла может быть отведено за счет теплопроводности. . Затем сфокусированный лазерный луч проникает в заготовку, образуя полость, называемую «замочной скважиной», заполненную парами металла (которые в некоторых случаях могут даже ионизироваться, образуя плазму).

Этот расширяющийся пар или плазма способствует предотвращению обрушения расплавленных стенок замочной скважины в эту полость.

Кроме того, за счет образования этой замочной скважины значительно улучшается попадание лазерного луча в заготовку. Сварка с глубоким проплавлением достигается путем прохождения замочной скважины вдоль свариваемого стыка или перемещения стыка по отношению к лазерному лучу. Это приводит к сварным швам с высоким отношением глубины к ширине.

Под действием поверхностного натяжения часть расплавленного материала на передней кромке замочной скважины течет вокруг полости замочной скважины к задней части, затем охлаждается и затвердевает, образуя сварной шов. Это оставляет наварной колпачок с шевронным рисунком, направленным назад к начальной точке сварного шва.

Услуги лазерной сварки

Лазерная сварка в TWI

Компания TWI имеет значительный опыт успешной разработки и квалификации процедур лазерной сварки для различных областей применения.

Лазерная обработка

Компания TWI находится в авангарде использования лазеров для обработки материалов с середины 1960-х годов и оказывает ведущую в мире поддержку во многих отраслях промышленности.

Если вам нужна дополнительная информация или у вас есть вопросы, свяжитесь с нами.

Связанные часто задаваемые вопросы (FAQ)

Каковы распространенные дефекты при лазерной сварке конструкционных сталей и как их избежать?

Как процесс сварки плавлением, как и дуговая сварка, лазерная сварка конструкционных сталей может содержать дефекты.

Можно ли использовать лазерную сварку для сборки сложных трехмерных деталей, вырезанных лазером?

Сложные трехмерные детали, вырезанные лазером, можно сваривать лазером.

Какие системы мониторинга в процессе сварки доступны для лазерной сварки?

Лазерная сварка все чаще используется в промышленности из-за ее преимуществ, таких как высокая скорость, высокая точность, низкое тепловложение и низкий уровень искажений. ..

Могу ли я использовать системы отслеживания швов для лазерной сварки?

Из-за относительно низких допусков лазерной сварки к положению стыка, смещению стыка и/или зазорам стыка, системы отслеживания стыка обладают потенциалом…

Руководство по квалификации и качеству лазерной сварки

Что касается механических свойств, ожидается, что лазерная сварка будет такой же прочной или прочной, чем основной материал. Для оценки характеристик металлических материалов, сваренных лазером, используется множество различных процедур испытаний. Как правило, выбор теста зависит от эксплуатационных требований сварного шва.

Для судостроительной промышленности европейские классификационные общества подготовили «Руководство по утверждению CO ₂ лазерная сварка». На этот счет был подготовлен и используется на практике документ Требования классификационных обществ для утверждения CO ₂ Процедуры лазерной сварки . Этот документ является достаточно исчерпывающим.

В результате проектов Brite Euram SHILWACQ, BE 97-4223 и SHIPYAG, G3RD-CT-2000-00251, разрабатывается больше руководств.

1. Неразрушающий контроль лазерных сварных швов металлических материалов

Визуальный осмотр
Все стыковые и Т-образные соединения могут быть проверены на наличие внешних дефектов, таких как: подрезы, наплывы, подсосы, кратерные трещины, поверхностные трещины, поверхностная пористость, пузыри, несоответствие, избыток металла сварного шва, чрезмерное проплавление и разбрызгивание.

Существует два установленных стандарта для оценки вышеупомянутых дефектов —

Сварка и родственные процессы — Соединения, сваренные электронным и лазерным лучом — Руководство по уровням качества дефектов:

Часть 1: Стали

EN ISO 13919-1: 1992

ISO 13919-1: 1997

Часть 2: Алюминий и его свариваемые сплавы 19-2: 2001

Рентгенография
С помощью этого метода выявляются внутренние дефекты, такие как трещины, пористость, включения, непровары и несплавления. Все дефекты оцениваются в соответствии со стандартами, указанными выше.

Ультразвуковой контроль
В определенной степени также проводится ультразвуковой контроль лазерных сварных швов.

2. Разрушающий контроль лазерных сварных швов металлических материалов

В значительной степени процедуры разрушающего контроля, используемые для оценки дуговых сварных швов, также применяются к лазерным сварным швам:

• Испытание на растяжение (на сдвиг или отслаивание для соединений внахлест, испытание на разрыв угловых сварных швов, все испытания на растяжение сварных швов)
• Испытания на изгиб (корневой и торцевой изгиб, продольный изгиб)
• Испытания по Шарпи и испытания на вязкость разрушения (например, K _Ic )**
• Испытание на усталость
• Оценка твердости (как макро-, так и микротвердости)
• Испытания на коррозию (испытания на общую коррозию, коррозию под напряжением и межкристаллитную коррозию на основе сплава)

** Имейте в виду, что для очень узких твердых лазерных сварных швов явление, известное как отклонение траектории разрушения (FPD), может вызвать трудности при интерпретации результатов испытаний по Шарпи и вязкости разрушения. Дополнительную информацию о FPD можно найти в разделе «Каково значение отклонения траектории разрушения во время испытаний по Шарпи лазерных сварных швов и как его можно предотвратить?»

Для получения более подробной информации читателю рекомендуется обратиться к следующим документам:

Проверка процедур сварки:

Соединения, сваренные электронным и лазерным лучом

EN ISO 15614-11: 2002

9007 4 ИСО 15614-11: 2002

• EN 895: 1995, Разрушающие испытания сварных швов металлических материалов. Испытание на поперечное растяжение
• EN 910: 1996, Разрушающие испытания сварных швов металлических материалов. Испытания на изгиб
• ЕН 1320: 1997, Разрушающие испытания сварных швов металлических материалов. Испытания на излом
• EN 1321: 1997, Разрушающие испытания сварных швов металлических материалов. Макроскопическое и микроскопическое исследование сварных швов
• Кодекс ASME по котлам и сосудам под давлением, раздел IX, квалификационный стандарт для процедур сварки и пайки, сварщиков, паяльщиков и операторов сварки и пайки
• ASTM E 8M-99, Стандартные методы испытаний металлических материалов на растяжение [метрическая система]
• ASTM E 604-83, Стандартный метод испытаний металлических материалов на динамический разрыв.