Лазерная сварка металла: оборудование, технология, методы, аппараты

Сварка с аргоном

Сварка в среде аргона может осуществляться в двух видах: ручная с неплавящимся электродом и полуавтоматическая со специальной плавящейся проволокой.

Ручная TIG сварка

Это наиболее распространенный вид соединения алюминиевых деталей. Он обеспечивает надежность соединения.

Аргон, который подается в сварочную ванну, закрывает доступ атмосферному кислороду, что не позволяет образовываться оксидной пленке.

Что нужно для такого типа сварки?

Во-первых, электроды используются неплавящиеся из вольфрама. Их диаметр зависит от толщины деталей, а также от вида стыка у заготовок.
Во-вторых, присадочный материал — обязательное условие для получения качественного сварного шва.
В третьих, это защитный газ, чаще всего аргон или гелий.

Какие параметры нужно учитывать перед началом сварочного процесса?

Если вы новичок в сварочном деле,то найдите таблицу, где указываются все необходимые данные по расходу газа, диаметрам электродов и присадочных прутков. Но обычно сварщик руководствуется уже полученным опытом.

Стоит знать, что зажечь электрическую дугу в аргоне довольно затруднительно. Поэтому современные аппараты имеют осциллятор, который повышает частотность тока для быстрого поджога.

Заготовки выставляют в нужное положение, подключается масса. При этом аппарат настраивают на переменный ток!
Дугу лучше всего зажигать в стороне на отдельной графитовой пластинке (нежелательно стучать вольфрамом по заготовке, это испортит электрод).
Конец электрода ведут под углом наиболее приближенном к прямому (60-80 градусов). Расстояние электрода от ванны до 2 мм.
Присадочный пруток подают постепенно к краю сварочной ванны под углом в 90 градусов к электроду. Не нужно подавать присадку непосредственно под электрод, это испортит шов.
Горелку с электродом ведут за присадочным прутком, а не наоборот.
Также не стоит слишком притапливать дугу или наоборот очень далеко отодвигать. Сварочная ванна (зона расплавленного металла) должна иметь овальную немного вытянутую форму.
После завершения шва дугу гасят и возвращают горелку к сварочной ванне. Это делается для того, чтобы застывание проходило под аргоном. Подачу аргона перекрывают через 7-10 секунд после окончания сварки.

На выходе должен получиться волнообразный, немного вытянутый в направлении движения, сварочный шов. Если все сделать правильно, то соединение будет качественным.

Полуавтоматическая сварка в аргоне

Особенности полуавтоматической сварки алюминия следующие.

Варить нужно только на переменном токе и с обратной полярностью.
Проволока должна соответствовать материалу заготовок.
Наконечник держателя нужен немного большего диаметра, чем сама проволока.

Алюминиевые расходники имеют большую скорость горения. Поэтому нужно быстрее вести шов (как и в случае с покрытыми электродами). Также нужно обеспечить соответствующую скорость подачи проволоки.

А что вы можете добавить к материалу этой статьи? Если у Вас имеется опыт по сварке алюминия в домашней мастерской, то поделитесь им в блоке комментариев к этой статье.

Используемое оборудование

Несмотря на различные габариты и мощность, оборудование для лазерной сварки относится к одному из основных типов: с твердым или с газообразным рабочим телом. Они различаются лишь методом возбуждения светового излучения. С металлом оба типа станков лазерной сварки работают одинаково.

Твердотельные установки

Такие приборы чаще используются в режиме непрерывного излучения. Они характеризуются более высокими рабочими частотами и ограниченным КПД и мощностью. Твердотельные агрегаты чаще используют для сваривания малогабаритных и тонкостенных изделий.

Импульсный твердотельный лазер

Газовые аппараты

Если требуется соединять заготовки большой толщины, применяют устройства с газообразным рабочим телом. Излучение возбуждается в газовой среде электрическим разрядом. Такие аппараты сваривают детали до 20 миллиметров. Такой способ позволяет достичь высоких мощностей в луче и более высоких значений КПД. Однако устройство прибора более сложное, в нем используется хрупкая стеклянная колба.

Газовый лазер

Сварка лазером как бизнес

Услуги лазерной сварки очень востребованы, поэтому если правильно подойти к организации бизнеса, то можно сделать данный вид деятельности основным способом зарабатывания денег. Количество автомобилей в нашей стране увеличивается с каждым годом, при этом количество аварий также не уменьшается. При замене элементов кузова автомобиля не рекомендуется нагревать большую площадь тонкого металла, когда детали свариваются между собой. Сварка кузова автомобиля лазерной сваркой позволяет полностью справиться с возможным короблением металла благодаря очень малой площади нагрева. Также положительно сказывается на качестве сварного шва использование инертного газа, в среде которого осуществляется сварочный процесс тонкой жести. Таким образом при использовании лазера в кузовном ремонте удаётся добиться не только тонкого сварного шва, но и отсутствие его коррозии в течение длительного времени.

Кроме кузовного ремонта с помощью аппарата лазерной сварки можно запаять детали двигателя из алюминиевых и медных сплавов. Обычной электросваркой такие работы выполнить практически невозможно, а применяя станки лазерной сварки можно справиться с такой задачей очень легко.

Оказывать услуги по свариванию металлов с применением лазерного сварочного аппарата можно не только автомобилистам. Сварка нержавейки на заказ, также может стать прибыльным направлением такого бизнеса.

Несмотря на то, что нержавеющую сталь можно варить обычным инвертором, качество такого соединения оставляет желать лучшего, поэтому если необходимо выполнить аккуратное соединение металлических деталей из нержавеющей стали, то получить тонкий и качественный шов возможно только с применением лазерных технологий.

Сферы применения лазерного метода сварки металлов для получения стабильного дохода не ограничиваются перечисленными вариантами. Учитывая тот факт, что цена аппарата, выходная мощность которого составляет от 500 Ватт будет не менее 1 млн. рублей, приобретение небольшого маломощного устройства позволит сразу приступить к оказанию услуг населению по ремонту ювелирных изделий. Такой вид бизнеса также будет рентабельным, т. к. ювелирные украшения обычно не способны выдержать значительные механические нагрузки, и при их наличии металл гнётся и ломается.

Различия в технологии для разных металлов

Существуют отличия в технологическом процессе для различных металлов и их сплавов.

При сваривании заготовок из стали требуется провести механическую зачистку от ржавчины и других загрязнений. Детали должны быть тщательно обезжирены и высушены. Присутствие в зоне шва влаги может привести к повышенной гидратации материала шва и снижению его прочности и долговечности.

Аналогичная механическая подготовка и обезжиривание требуется для большинства цветных металлов и сплавов.

Благодаря высокой скорости ведения луча в рабочей области не успевают образоваться окислы. Это позволяет сваривать нержавеющие и титановые сплавы без применения флюсовых порошков и атмосферы защитных газов. Эта уникальная способность делает лазерный метод незаменимым при сваривании особо ответственных конструкций атомной, аэрокосмической и оборонной индустрии.

Особенности и применение

Разделение на технические, технологические и физические особенности сваривания металлов прописано в ГОСТ 19521-74.

В свою очередь, характеристики физического характера делятся по классам:

Термический класс — подразумевает процесс сваривания металлов с использованием тепловой энергии и плавления;
Термомеханический – процесс осуществляется под давлением и с применением тепловой энергии;
Механический – используется механическая энергия и давление.

Лазерное сваривание также имеет свой ГОСТ, относится к первому классу.

Ее особенности в большей мере зависят от особенностей лазерного луча, таких, как направленность, монохроматичность, когерентность.

Благодаря этому луч может концентрироваться точечно и обрабатывать небольшие по площади поверхности. С помощью оптических систем происходит управление лазером.

Лазерная сварка имеет некоторые сходства со сваркой электронными лучами, перед которой имеет определенные преимущества, например, вакуумная среда для более эффективной работы не создается, а цена работ сваривания металла с помощью лазера сопоставляется с классическими способами.

Такой метод сваривания металлов нашел свое применение в автомобильном производстве, поскольку лазерная сварка позволяет экономить материалы, а также обеспечивает герметичность алюминиевого корпуса машины.

Сваривание труб удобно в том плане, что установка сварки может находиться удаленно от непосредственного места соединения.

Чаще всего, лазер используется для сваривания проблемных металлов: нержавейки и алюминия.

Потому что при сваривании нержавеющих материалов и алюминия происходит их быстрое окисление, что в последствии ведет к образованию некачественных швов.

ВАЖНО ЗНАТЬ: Технология ручной дуговой сварки труб

Лазерные лучи не допускают подобных дефектов, поскольку отличаются скоростью обработки поверхности.

Сваривание лазером подразделяется на точечное и шовное (см. видео).

Точечная сварка позволяет обрабатывать даже очень мелкие детали (менее 100 мкм), отвечает требованиям ГОСТ 28915-91. Точечная сварка применяется в создании электронной аппаратуры.

Видео:

Тонкие материалы также подвергаются именно такому методу сваривания, но при этом необходимо выставить определенные параметры для того, чтобы плавление нержавеющих сталей не было глубоким.

Точечная сварка производится очень быстро.

Как уже говорилось выше, шов при лазерной обработке получается очень аккуратным и небольшим. Дефектность шва проверяется по ГОСТ Р ИСО 5817-2009.

Оборудование, которое применяется для сваривания труб, нержавейки и других материалов, имеет свои разновидности и принципиальные отличия.

Промышленную сварку труб см. на видео.

Оборудование для сварки

Комплект оборудования состоит из устройства, генерирующего лазерный луч, системы фокусировки излучения, а также системы, перемещающей сам луч и металлическую заготовку. Установка лазерной сварки может быть стационарная и мобильная (переносная).

Со стационарной все понятно, она устанавливается в цеху и неподвижна. А если используется переносная установка, то такой метод принято называть ручным, или ручная лазерная сварка. На самом деле, мобильные установки с трудом можно назвать переносными, поскольку они весят очень много и зачастую не переносятся, а перевозятся на специальных тележках. Также модель аппарата может быть по умолчанию оснащена колесами для транспортировки.

Все оборудование, а именно сами лазеры, делятся на два типа: твердотельные и газовые. Чаще всего используются газовые установки. Они мощнее и проще в применении. Для их применения необходима смесь газов. А твердотельные лазеры нуждаются в стекле с присадкой ионов или в рубине.

Согласитесь, газовую смесь гораздо проще найти и приобрести. Особенно, если учесть, что газовые установки мощнее и способны варить толстый металл. Чего нельзя сказать о твердотельных установках.

Также существуют газодинамические лазеры, но они настолько дорого стоят, что редко встречаются на отечественных заводах. Также они являются самыми мощными, а такие показатели нужны только на специфических производствах.

Особенности применения

Мы будем говорить об особенностях применения именно газовых лазерных установок, поскольку они используются чаще всего.

Как вы могли догадаться, для сварки используется не только луч лазера, но и газ. Он необходим для защиты сварочной ванны от окисления. А металл будет активно окисляться, поскольку сварка производства в обычных атмосферных условиях. В качестве защитного газа чаще всего используют обычный аргон.

Помимо защитного газа дополнительно подается плазмоподавляющий газ. Он необходим, если применяются лазеры высокой мощности. Такие установки могут интенсивно испарять металл. Плазмоподавляющий газ позволяет справиться с этой проблемой. Для этих целей можно использовать гелий.

Естественно, аргон и гелий подаются не по очереди, а в виде газовой смеси. Рекомендуется смешить их в равной степени (50 на 50), чтобы и защитная, и плазмоподавлящая функция выполнялись в равной степени.

Это интересно: Маркировка электродов для сварки по нержавейке, чугуну: рассмотрим обстоятельно

Отличия в технологии сваривания деталей из разных металлов

Различные металлы сваривают в соответствии с различными технологическими нормами. Работа с заготовками из стали требует предварительной зачистки от загрязнений, включая ржавчину. Также изделие должно быть тщательно обезжирено и высушено.

Технология сварки металла большой толщины.

Наличие влаги в области соединения деталей может привести к повышенной гидратации и, как следствие, к снижению его прочности и долговечности.

Благодаря высокой скорости движения луча, станки лазерной сварки позволяют формировать шов без окислов. В результате становится возможным осуществлять соединение нержавеющих и титановых сплавов без флюса и инертных газов.

Эта уникальная способность делает подобные установки незаменимыми при сваривании особенно ответственных конструкций.

Развитие технологий за последние годы позволило создать компактный прибор для ручной лазерной сварки. На сегодняшний момент существует множество моделей, представленных в магазинах. Все они могут похвастаться различными параметрами и функциональностью.

Конечно, стоимость подобных установок остается достаточно высокой. Тем не менее покупка данного прибора, несомненно, быстро окупится. Особенно, если речь идет о большом объеме работ.

Оборудование

Автоматизация и CAM

Хотя лазерную сварку можно выполнить вручную, большинство систем автоматизированы и используют систему автоматическое производство на основе компьютерный дизайн. Лазерная сварка также может сочетаться с фрезерованием для формирования готовой детали.

Недавно RepRap проект, над которым исторически работали изготовление плавленых волокон, расширилась до разработки систем лазерной сварки с открытым исходным кодом. Такие системы полностью охарактеризованы и могут использоваться в широком диапазоне приложений при одновременном снижении обычных производственных затрат.

Лазеры

Обычно используются два типа лазеров: твердотельные лазеры (особенно рубиновые лазеры и Nd: YAG лазеры) и газовые лазеры.
Первый тип использует одну из нескольких твердых сред, в том числе синтетический рубин (хром в оксид алюминия ), неодим в стекле (Nd: стекло), и наиболее распространенный тип, неодим в иттрий алюминий гранат (Nd: YAG).
В газовых лазерах используются смеси газов, такие как гелий, азот, и углекислый газ (CO2-лазер) в качестве среды.
Однако, независимо от типа, когда среда возбуждена, она испускает фотоны и формирует лазерный луч.

Твердое состояние

Твердотельные лазеры работают на длинах волн порядка 1микрометр, намного короче, чем газовые лазеры, используемые для сварки, и, как следствие, требуют, чтобы операторы носили специальные очки или использовали специальные экраны для предотвращения повреждения сетчатки. Nd: YAG-лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме, но другие типы ограничены импульсным режимом. Первоначальная и до сих пор популярная твердотельная конструкция представляет собой монокристалл в форме стержня диаметром примерно 20 мм и длиной 200 мм с плоскими отшлифованными концами. Этот стержень окружен вспышка содержащий ксенон или же криптон. Во время вспышки лазер излучает световой импульс длительностью около двух миллисекунд. Кристаллы в форме дисков становятся все популярнее в промышленности, а лампы-вспышки уступают место диодам из-за их высокого КПД. Типичная выходная мощность рубиновых лазеров составляет 10–20 Вт, в то время как выходная мощность лазера Nd: YAG составляет 0,04–6 000 Вт. Для доставки лазерного луча в зону сварки обычно используется волоконная оптика.

Газ

В газовых лазерах используются высоковольтные слаботочные источники энергии для подачи энергии, необходимой для возбуждения газовой смеси, используемой в качестве среды генерации. Эти лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме, а длина волны пучка газового CO2-лазера составляет 10,6 мкм, в глубоком инфракрасном диапазоне, то есть «тепловом». Оптоволоконный кабель поглощает и разрушает эту длину волны, поэтому используется жесткая линза и система доставки зеркала. Выходная мощность газовых лазеров может быть намного выше, чем у твердотельных лазеров, достигая 25кВт.

Волокно

В волоконные лазеры, основной средой является собственно оптическое волокно. Они имеют мощность до 50 кВт и все чаще используются для роботизированной промышленной сварки.

Современные аппараты для лазерной сварки можно разделить на два типа. в традиционный типа, выход лазера перемещается по шву. Обычно это достигается с помощью робота. Во многих современных приложениях удаленный используется лазерная сварка. В этом методе лазерный луч перемещается по шву с помощью лазерный сканер, чтобы роботизированной руке больше не нужно было следить за швом. Преимущества дистанционной лазерной сварки – более высокая скорость и более высокая точность сварочного процесса.

1. Лазерная сварка

частично отражаетсянеобходимую для автоматического управлеТехнология лазерной сварки

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.

Элементы, которые подготовлены для соединения, плотно соединяются друг с другом вдоль линии будущего соединения.
Далее на область стыка наводится лазерный луч.
Включается генератор. Во время этого начинается равномерное разогревание, плавление и испарение частиц на кромках.
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.

1.2 Условия и способы лазерной сварки

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.
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.

1.3 Виды лазеровсварка алюминиевых сплавов

Газовый

Прокачивание газа из баллонов производится насосом. Для этого применяется газоразрядная труба.
Между электродами возникает разряд электрического тока, который вызывает энергетическое возбуждение газовой смеси.
В торцевых зонах газоразрядной трубы имеются специальные зеркала, через которые пропускаются лучи лазера.
При выполнении лазерной сварки оправ, кузова автомобиля и других изделий электроды соединяются с источником питания.
Процесс охлаждения лазерных устройств проводится водяной системой.

качестве него применяется гелий1.4 Особенности сварки тонкостенных изделий1.5 Автоматизация лазерной сварки и виды станковМодели станков для лазерной сварки

Квант-15 лазерная сварка. Прибор является самым дорогостоящим и многофункциональным. Его применяют в шовной и точечной сварочной технологии, для соединения различных металлов и сплавов с глубиной проплавления до 2-3 мм. Также используется при разрезании инструментальных, конструктивных, высоколегированных сплавов.
ЛАТ-С. Эта установка применяется для проведения лазерной сварки и наплавки металлов. Имеет высокую мощность и производительность. Оборудование может быть укомплектовано координатными столами, именно за счет этого можно производить обработку сложных изделий.
МУЛ-1. Это малогабаритное оборудование, которое применяется для лазерной сварки и наплавки металлов. При помощи него может производиться пайка изделий из серебра и золота. Применение лазерной сварки в ювелирном деле позволяет легкое сваривание с соблюдением высокой точности. Допускается даже соединение оправ пластиковых очков.

Возможные дефекты шва

Непроваривание шва.
Образование пор и трещин.
Наплывы, кратеры, сварные раковины.
Посторонние включения.
Прожоги.

1) Лазерная сварка обладает следующими преимуществами: 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. Лазер может быть расположен на достаточно большом удалении от места сварки, что в ряде случаев дает существенный экономический эффект. Легкость управления лазерным лучом с помощью зеркал и волоконной оптики позволяет осуществлять сварку в труднодоступных, иногда не находящихся в пределах прямой видимости местах.Производится в атмосферных условиях, без создания вакуума. К недостаткам лазерной сварки относятся: высокая сложность и стоимость оборудования, низкий КПД лазеров.

2) Технологические особенности процесса лазерной сварки