Лазерная сварка

Лазерная сварка — это передовая технология, которая меняет способы соединения материалов в различных отраслях..

Его непревзойденная точность, эффективность, и универсальность становятся основными факторами, требующими высококачественных и прочных соединений..

В этом руководстве вы узнаете все, что вам нужно о лазерной сварке., его типы, и как это работает.

Что такое лазерная сварка?

Лазерная сварка — это высокоточный процесс, в котором сфокусированный лазерный луч используется в качестве источника тепла для плавления и сплавления материалов в местах их соединения..

Техника идеальна для металлов., сплавы, и немного пластика, доставка в чистоте, прочные сварные швы с минимальными зонами термического влияния (ЗТВ).

Эта технология широко используется в аэрокосмической отрасли., автомобильный, электроника, и производство медицинского оборудования, где точность и прочность имеют первостепенное значение.

Лазерная сварка позволяет соединять тонкие и толстые материалы и даже разнородные металлы., что делает его невероятно универсальным.

Как работает лазерная сварка?

Основные принципы

1. Генерация лазерного луча:

• • Лазерный источник: Процесс начинается с лазерного источника, который генерирует луч света высокой интенсивности.
    Обычные лазерные источники включают CO₂-лазеры., Нд: ЯГ (Иттрий-алюминиевый гранат, легированный неодимом) лазеры, и волоконные лазеры.
  • Фокусировка луча: Лазерный луч направляется и фокусируется с помощью зеркал и линз..
    Фокусирующая оптика концентрирует луч в очень маленькое пятно., обычно от нескольких микрометров до миллиметров в диаметре, создание высокой удельной мощности.

2. Нагрев материала:

• • Поглощение: Когда сфокусированный лазерный луч попадает на материал, энергия поглощается, приводит к быстрому нагреву материала.
  • плавление: Сильный нагрев приводит к плавлению материала в точке контакта..
    Глубина и ширина оплавленной зоны зависят от мощности лазера и продолжительности воздействия..

3. Формирование сварного шва:

• • Объединение: По мере плавления материала, он образует расплавленную ванну. Движение лазерного луча вдоль линии соединения заставляет расплавленный материал течь и перемешиваться..
  • затвердевание: Как только лазерный луч уходит, расплавленная ванна остывает и затвердевает, формирование сильного, связный сварной шов.

Ключевые компоненты

1. Лазерный источник:

• • CO₂-лазеры: Это газовые лазеры, в которых в качестве лазерной среды используется углекислый газ.. Они подходят для сварки толстых материалов и могут производить лучи высокой мощности..
• • Нд: YAG-лазеры: Это твердотельные лазеры, в которых используется кристалл, легированный неодимом.. Они универсальны и могут использоваться как для толстых, так и для тонких материалов..
  • Волоконные лазеры: Это самый продвинутый тип., использование легированного оптоволоконного кабеля в качестве усиливающей среды.
    Они очень эффективны, компактный, и может обеспечить очень высокую плотность мощности.

2. Оптическая система:

• • Зеркала и линзы: Эти компоненты направляют и фокусируют лазерный луч на заготовку.. Высококачественная оптика обеспечивает точный контроль положения и размера луча..
  • Система доставки луча: В некоторых установках, лазерный луч доставляется по оптоволоконному кабелю на удаленную головку, обеспечивает гибкое и точное позиционирование.

3. Обращение с заготовками:

• • Крепление: Заготовки должны быть надежно закреплены на месте, чтобы обеспечить точное выравнивание и стабильное качество сварки..
  • Управление движением: ЧПУ (Компьютерное числовое управление) системы часто используются для перемещения заготовки или лазерной головки по желаемому пути..

Виды лазерной сварки

Лазерная сварка — универсальный и точный метод соединения материалов., и несколько типов методов лазерной сварки подходят для различных применений и материалов.. Каждый тип имеет свои уникальные преимущества и проблемы.. Вот подробный обзор:

1. Непрерывная волна (CW) Лазерная сварка

Процесс: При непрерывной лазерной сварке, лазерный луч излучается непрерывно во время процесса сварки. Постоянное тепловложение делает его пригодным для более длительного использования., непрерывные сварные швы.

Приложения: Лазерная сварка CW широко используется в автомобильной и аэрокосмической промышленности для сварки более толстых материалов и достижения глубокого провара..

Преимущества:

• Высокое проникновение: Лазеры непрерывного действия могут создавать глубокие и узкие сварные швы., что делает их идеальными для толстых материалов.
• Стабильная теплоотдача: Непрерывный луч обеспечивает постоянные условия сварки., что приводит к равномерным и надежным сварным швам.

Недостатки:

• Большая зона термического влияния (ЗТВ): Постоянное поступление тепла может привести к увеличению ЗТВ., потенциально влияющие на свойства материала.
• Более высокое энергопотребление: Лазеры непрерывного действия обычно потребляют больше энергии по сравнению с импульсными лазерами..

Данные:

• Диапазон мощности: Обычно варьируется от 1 кВт до 10 кВт.
• Глубина проникновения: Может достигать глубины до 20 мм в стали.
• Скорость сварки: До 10 метры в минуту, в зависимости от толщины материала и мощности.

2. Импульсная лазерная сварка

Процесс: Импульсная лазерная сварка предполагает короткое излучение лазерного луча., импульсы высокой энергии. Каждый импульс обеспечивает прилив энергии., позволяющий точно контролировать подвод тепла и минимизировать ЗТВ.

Приложения: Импульсная лазерная сварка идеально подходит для тонких материалов., деликатные компоненты, и приложения, требующие минимального тепловложения, например, электроника и медицинское оборудование.

Преимущества:

• Точный контроль: Импульсный характер позволяет точно контролировать размер и форму сварного шва..
• Минимальная опасность: Снижает риск деформации и коробления материала., что делает его подходящим для тонких и чувствительных материалов.

Недостатки:

• Неглубокое проникновение: Ограничено более тонкими материалами и неглубокими сварными швами..
• Медленный процесс: Может быть медленнее, чем сварка непрерывной волной для более длинных сварных швов..

Данные:

• Длительность импульса: Обычно варьируется от микросекунд до миллисекунд..
• Диапазон мощности: От нескольких ватт до нескольких киловатт.
• Глубина проникновения: До 1 мм в стали.
• Скорость сварки: До 2 метры в минуту, в зависимости от толщины материала и частоты импульсов.

3. Гибридная лазерная сварка

Процесс: Гибридная лазерная сварка сочетает лазерный луч с другим источником тепла., обычно процесс дуговой сварки (типа МИГ или ТИГ).

Лазерный луч является основным источником тепла., в то время как дуга стабилизирует сварочную ванну и при необходимости добавляет присадочный материал.

Приложения: Гибридная лазерная сварка используется для сварки толстых материалов и в случаях, когда требуется высокая скорость наплавки., например, в судостроении и тяжелом машиностроении.

Преимущества:

• Глубокое проникновение: Сочетает глубокое проникновение лазера с гибкостью дуговой сварки..
• Высокие темпы осаждения: Более высокая скорость сварки и более высокая скорость наплавки материала, что делает его пригодным для крупномасштабного промышленного применения.

Недостатки:

• Сложная установка: Требуется более сложное оборудование и настройка., увеличение первоначальных инвестиций.
• Более высокая стоимость: Более дорогой из-за необходимости использования нескольких источников тепла и специального оборудования..

Данные:

• Диапазон мощности: Мощность лазера обычно составляет от 1 кВт до 10 кВт, с мощностью дуги от 100 А к 500 А.
• Глубина проникновения: Может достигать глубины до 25 мм в стали.
• Скорость сварки: До 15 метры в минуту, в зависимости от толщины материала и мощности.

4. Дистанционная лазерная сварка

Процесс: Дистанционная лазерная сварка использует высокоскоростную систему сканирования, которая направляет лазерный луч на большую площадь..

Луч отклоняется с помощью зеркал или гальванометрических сканеров., позволяющая выполнять быструю и точную сварку нескольких точек или траекторий.

Приложения: Дистанционная лазерная сварка используется на крупносерийном производстве., например, в автомобильной промышленности для сборки кузова и в электронной промышленности для пайки..

Преимущества:

• Высокоскоростной: Чрезвычайно высокая скорость сварки, подходит для массового производства.
• Гибкость: Может быстро и точно сваривать несколько точек или путей., что делает его идеальным для сложной геометрии.

Недостатки:

• Ограниченное проникновение: Обычно менее подходит для сварки с глубоким проплавлением..
• Требования к точности: Требует точного контроля и настройки системы сканирования., что может быть сложной задачей.

Данные:

• Скорость сканирования: До 100 метры в секунду.
• Скорость сварки: До 50 метры в минуту, в зависимости от сложности пути сварки.
• Диапазон мощности: Обычно варьируется от 1 кВт до 5 кВт.

5. Сварка в режиме проводимости

Процесс: Сварка в режиме проводимости предполагает нагрев поверхности соединяемых материалов., заставляя их плавиться и сплавляться.

Тепло передается в материал, что приводит к более широкому, более мелкая сварочная ванна.

Приложения: Сварка в режиме проводимости используется для тонких материалов и в тех случаях, когда требуется широкий диапазон, мелкий сварной шов допускается, например, в электронной и ювелирной промышленности.

Преимущества:

• Плавление поверхности: Подходит для тонких материалов и деликатных компонентов., минимизация риска повреждения.
• Минимальное искажение: Снижает риск коробления и деформации материала., обеспечение высокого качества сварных швов.

Недостатки:

• Неглубокое проникновение: Ограничено неглубокими сварными швами и тонкими материалами..
• Более низкая прочность: Полученные сварные швы могут иметь меньшую прочность по сравнению со сварными швами с более глубоким проплавлением..

Данные:

• Диапазон мощности: Обычно варьируется от 100 В это 1 кВт.
• Глубина проникновения: До 0.5 мм в стали.
• Скорость сварки: До 2 метры в минуту, в зависимости от толщины материала и мощности.

6. Сварка в режиме «замочной скважины»

Процесс: Сварка в режиме «замочной скважины» предполагает фокусировку лазерного луча для создания небольшого, глубокая дыра (замочная скважина) в материале.

Замочная скважина действует как канал для глубокого проникновения лазерной энергии., что приводит к узкому, глубокая сварка.

Приложения: Сварка в режиме «замочной скважины» используется для толстых материалов и в случаях, требующих глубокого провара., например, в автомобильной и аэрокосмической промышленности.

Преимущества:

• Глубокое проникновение: Возможность получения глубоких и узких сварных швов., что делает его идеальным для толстых материалов.
• Высокая прочность: Производит сильные, высококачественные сварные швы с минимальными искажениями.

Недостатки:

• Сложная установка: Требуется точный контроль над параметрами лазера для поддержания замочной скважины..
• Материальные ограничения: Возможно, это не подходит для всех материалов., особенно те, у которых высокая отражательная способность.

Данные:

• Диапазон мощности: Обычно варьируется от 1 кВт до 10 кВт.
• Глубина проникновения: Может достигать глубины до 20 мм в стали.
• Скорость сварки: До 10 метры в минуту, в зависимости от толщины материала и мощности.

Сводная таблица типов лазерной сварки

Тип лазерной сварки	Описание процесса	Приложения	Преимущества	Недостатки	Диапазон мощности	Глубина проникновения	Скорость сварки
Непрерывная волна (CW)	Непрерывное излучение лазерного луча	Толстые материалы, глубокое проникновение	Высокая проникающая способность, стабильное тепловложение	Большая ЗТВ, более высокое энергопотребление	1 кВт до 10 кВт	До 20 мм	До 10 м/мин
Импульсный	Короткий, высокоэнергетические лазерные импульсы	Тонкие материалы, деликатные компоненты	Точный контроль, минимальная ЗТВ	Неглубокое проникновение, более медленный процесс	От нескольких ватт до нескольких кВт	До 1 мм	До 2 м/мин
Гибридный	Сочетание лазерной и дуговой сварки.	Толстые материалы, высокие темпы осаждения	Глубокое проникновение, высокие темпы осаждения	Сложная настройка, более высокая стоимость	1 кВт до 10 кВт (лазер), 100 А к 500 А (дуга)	До 25 мм	До 15 м/мин
Удаленный	Высокоскоростная система сканирования	Крупносерийное производство, несколько точек	Высокоскоростной, гибкость	Ограниченное проникновение, требования к точности	1 кВт до 5 кВт	Переменная	До 50 м/мин
Режим проводимости	Поверхностный нагрев и плавление	Тонкие материалы, деликатные компоненты	Плавление поверхности, минимальное искажение	Неглубокое проникновение, более низкая прочность	100 В это 1 кВт	До 0.5 мм	До 2 м/мин
Режим замочной скважины	Создание глубокой замочной скважины	Толстые материалы, глубокое проникновение	Глубокое проникновение, высокая прочность	Сложная настройка, материальные ограничения	1 кВт до 10 кВт	До 20 мм	До 10 м/мин

Какие материалы можно соединить лазерной сваркой?

Лазерная сварка — универсальный метод, позволяющий соединять широкий спектр материалов.. Его способность обеспечивать точную, лучи высокой энергии делают его пригодным для металлов, сплавы, и некоторые неметаллы.

Вот обзор материалов, которые обычно соединяются с помощью лазерной сварки.:

1. Металлы и сплавы

Лазерная сварка особенно эффективна для металлов и сплавов., предлагая высокую точность и прочность для различных применений.

Сталь

• Нержавеющая сталь: Идеально подходит для таких отраслей, как автомобилестроение, аэрокосмический, и медицинский, лазерная сварка обеспечивает отличную коррозионную стойкость и чистые сварные швы..
• Углеродистая сталь: Свариваемые с минимальными зонами термического влияния., хотя необходимо соблюдать осторожность, чтобы контролировать тепло, чтобы избежать трещин.
• Инструментальная сталь: Подходит для точной сварки., особенно в инструментальной и штамповой промышленности.

Алюминий и алюминиевые сплавы

• Высокая теплопроводность алюминия может усложнить задачу., но современные лазеры хорошо с этим справляются, особенно для таких сплавов, как 6061, 5052, и 7075.

Титан и титановые сплавы

• Часто используется в аэрокосмической и медицинской промышленности., Титан хорошо сваривается благодаря низкому термическому расширению и высокой прочности..

Никель и никелевые сплавы

• Сплавы на основе никеля, такие как Инконель, широко используются в высокотемпературных и агрессивных средах., например, в электростанциях и реактивных двигателях.

Медь и медные сплавы

• Высокая отражательная способность и теплопроводность меди требуют мощных лазеров., но это свариваемо, особенно для электрических компонентов.

Другие металлы

• Магниевые сплавы: Легкий вес и широко используется в автомобильной и аэрокосмической промышленности..
• Цинк и оцинкованные металлы: Обычно применяется в оцинкованной стали и других коррозионностойких изделиях..

2. Разные материалы

Лазерная сварка может соединить два разных материала, хотя совместимость и тепловые свойства требуют тщательного контроля..

• Сталь в алюминий: Возможно использование специальных методов для управления различиями в тепловом расширении..
• Титан-никелевые сплавы: Используется в аэрокосмической отрасли для облегчения, крепкие суставы.
• Медь в алюминий: Встречается в электрических компонентах, таких как соединения аккумуляторов..

3. Пластмассы

Лазерная сварка также позволяет соединить некоторые термопласты с помощью специализированных систем..

• Поликарбонат (ПК): Распространен в электронике и автомобильной промышленности..
• Акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС): Используется в потребительских товарах и бытовой технике..
• Нейлон и полипропилен: Встречается в промышленных компонентах и ​​упаковке..

4. Материалы с покрытием и покрытием

Материалы с покрытиями (например, оцинкованная сталь, анодированный алюминий) можно и сварить.

Необходимо учитывать, как покрытие взаимодействует с лазером., так как это может повлиять на качество сварки.

5. Драгоценные металлы

Лазерная сварка идеально подходит для соединения небольших, деликатные компоненты, изготовленные из:

• Золото: Используется в ювелирных изделиях и электронике..
• Серебро: Используется в электротехнике и декоративных целях..
• Платина и Палладий: Распространен в медицинской и высокотехнологичной отраслях..

Различия между лазерной сваркой и традиционной сваркой

Лазерная сварка и традиционные методы сварки отличаются по нескольким аспектам., включая принципы сварки, скорость сварки, качество сварки,

зона термического влияния, операционная гибкость, стоимость оборудования, и эксплуатационные расходы.

Принципы сварки

• Лазерная сварка: В качестве источника тепла используется лазерный луч с высокой плотностью энергии и реализуется соединение материалов бесконтактным методом нагрева..
  Лазерный луч может быть точно сфокусирован на крошечной области., вызывая мгновенное плавление и испарение материала с образованием сварного шва. .
• Традиционная сварка: Например, Дуговая сварка и аргонно-дуговая сварка обычно используют дуговую сварку., сопротивление нагрева, или газовое пламя для сварки,
  который предполагает физический контакт или перенос ионов высокой энергии, сварное соединение может быть относительно шероховатым, а ширина сварного шва может быть относительно широкой..

Скорость сварки

• Лазерная сварка: Скорость сварки высокая, и большой объем сварочных работ можно выполнить в короткие сроки, что способствует повышению эффективности производства .
• Традиционная сварка: Скорость сварки относительно низкая., особенно в тех случаях, когда требуется точный контроль .

Качество сварки

• Лазерная сварка: Сварной шов узкий, униформа, и имеет хорошее качество поверхности, и зона термического влияния мала,
  который подходит для областей с высокими требованиями к качеству сварки, например, аэрокосмическая и автомобильная промышленность.
• Традиционная сварка: Это может привести к образованию относительно большой зоны термического влияния., повышение риска деформации и повреждения материала,
  качество сварки может зависеть от множества факторов, таких как навыки оператора., стабильность оборудования, и характеристики материала .

Операционная гибкость

• Лазерная сварка: Он может обеспечить бесконтактную сварку и достичь некоторых положений, которые трудно достичь для сварки традиционными сварочными аппаратами..
  В то же время, он также может выполнять автоматическую сварку, повышение степени автоматизации производства .
• Традиционная сварка: Некоторые методы (например сварка TIG) основаны на контакте и могут вызывать такие проблемы, как износ инструмента и загрязнение материала. .

Стоимость оборудования и эксплуатационные расходы

• Лазерная сварка: Стоимость оборудования относительно высока, и первоначальные вложения большие.
  Однако, в случае массового производства и высоких требований к качеству сварки, его полная стоимость может быть более выгодной.
• Традиционная сварка: Оборудование относительно зрелое, и стоимость может быть низкой, но его производительность и диапазон применения могут быть ограничены.

Недостатки лазерной сварки

Несмотря на многочисленные преимущества своей технологии, у него также есть некоторые недостатки, в основном следующим образом:

• Проблема стоимости: Стоимость систем лазерной сварки относительно высока., включая лазеры, оптические компоненты, и системы управления. Это предполагает большие первоначальные вложения..
• Технические требования: Эксплуатация оборудования для лазерной сварки требует профессиональной подготовки и технических знаний., и от операторов требуются навыки относительно высокого уровня.
• Адаптивность к материалам: Хотя он подходит для различных материалов., для материалов с высокой отражательной способностью (например, алюминий, медь, и их сплавы),
  скорость поглощения лазера низкая, что может повлиять на качество сварки.
• Обслуживание оборудования: Лазерное сварочное оборудование требует регулярного обслуживания и калибровки., что приведет к увеличению долгосрочных эксплуатационных расходов.
• Экологическая чувствительность: Процесс предъявляет высокие требования к условиям окружающей среды.. Например, пыль и влажность могут повлиять на качество сварки.
• Ограничения качества сварки: В некоторых случаях, например, сварка толстых листов или определенных гетерогенных материалов.,
  могут возникнуть проблемы с качеством сварки, такие как трещины, поры, и другие дефекты.
• Скорость и эффективность сварки: Хотя скорость лазерной сварки высокая, для конкретных приложений, например, массовое производство или сварка специальных материалов,
  возможно, его все еще необходимо оптимизировать для удовлетворения требований эффективности производства..
• Объем и вес оборудования: Высокопроизводительное оборудование для лазерной сварки может быть громоздким и тяжелым., что может ограничить его применение в некоторых рабочих средах с ограниченным пространством..

Факторы, влияющие на лазерную сварку

Лазерная сварка — высокоэффективная и точная технология сварки., качество сварки зависит от множества факторов.. Основными факторами являются следующие:

Мощность лазера

В лазерной сварке, существует порог плотности энергии. Если мощность ниже этого значения, глубина проплавления сварки будет относительно небольшой.

Как только мощность достигнет или превысит это значение, глубина проникновения существенно увеличится. Мощность лазера также контролирует скорость сварки и глубину провара..

Фокусное пятно луча

Размер фокусного пятна луча определяет плотность мощности.. Измерение размера фокального пятна при лазерной сварке высокой мощности — сложная задача..

На практике, фактический размер пятна часто превышает теоретически рассчитанное значение.

Скорость поглощения материала

Скорость поглощения материалов лазером зависит от таких факторов, как удельное сопротивление и состояние поверхности материалов..

Это влияет на то, сколько лазерной энергии может поглотить материал и, таким образом, влияет на эффект сварки..

Скорость сварки

Скорость сварки оказывает существенное влияние на глубину провара.. Увеличение скорости сварки приведет к меньшей глубине провара..

Однако, если скорость слишком низкая, это вызовет чрезмерное плавление материала и может даже прожечь заготовку.

Существует соответствующий диапазон скоростей сварки для достижения наилучшей глубины провара..

Защитный газ

Инертные газы обычно используются для защиты расплавленной ванны во время лазерной сварки.. Различные защитные газы по-разному влияют на качество сварки..

Например, гелий, который не легко ионизируется, является наиболее эффективным защитным газом при лазерной сварке., но это относительно дорого.

Аргон имеет более высокую плотность и может обеспечить хорошую защиту., но он может заблокировать часть лазера.

Азот – недорогой защитный газ., но он не подходит для сварки некоторых видов нержавеющей стали..

Фокусное положение (Сумма расфокусировки)

Положение фокуса оказывает важное влияние на форму сварного шва и глубину провара..

Когда величина расфокусировки положительна, то есть, фокус находится над поверхностью заготовки, полезно для получения гладкой поверхности сварного шва.

Когда величина расфокусировки отрицательна, это означает, что фокус находится внутри заготовки, это может увеличить глубину проникновения.

Условия окружающей среды

Процесс лазерной сварки предъявляет высокие требования к условиям окружающей среды.. Например, пыль и влажность могут повлиять на качество сварки.

Однородность материалов

Однородность материалов напрямую влияет на эффективное использование материалов и качество сварки..

Неравномерное распределение легирующих элементов или наличие примесей внутри материала повлияет на консистенцию сварного шва..

Сварочное оборудование и приспособления

Качество и состояние обслуживания сварочного оборудования, а также точность креплений, все влияет на качество сварки.

Обеспечение точности обработки и точности сборки свариваемой детали имеет решающее значение для повышения качества сварки..

Навыки оператора

Навыки и опыт операторов также являются важными факторами, влияющими на качество лазерной сварки.. Профессиональная подготовка и технические знания необходимы для достижения высококачественной сварки..

Общие применения лазерной сварки

Технология лазерной сварки широко используется в производстве металлических материалов благодаря своей высокой точности., высокая эффективность, небольшая зона термического влияния, и хорошее качество.

Ниже приведены некоторые распространенные области применения в производстве металлических материалов.:

Заключение

Лазерная сварка — мощная и точная технология, предлагающая множество преимуществ по сравнению с традиционными методами сварки..

Понимая принципы и компоненты, задействованные в, производители могут использовать эту технологию для улучшения качества продукции, сократить время производства, и повысить общую эффективность.

Если у вас есть более конкретные вопросы или потребности, не стесняйтесь связаться с нами!