Um7.ru

Аренда стройтехники
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Лазерная сварка металла

Лазерная сварка металла

Лазерная сварка металла — один из самых новых методов создания неразъемных соединений. Он отличается исключительной точностью, производительностью и высоким качеством сварного шва. Нагрев и плавление металла в рабочей зоне проводится лазерным лучом. Метод позволяет сваривать разнородные материалы. Несмотря на высокую стоимость и сложность оборудования, популярность этого метода постоянно растет. Для домашних мастерских становятся доступны аппараты бытового уровня.

Лазерная сварка

Лазерная сварка

История развития лазеров и сварки на их основе демонстрирует довольно редкий в научном мире факт: рубиновое сердце, впервые использованное в 1960 году для импульсной накачки, активно используется спустя почти полвека. Сегодня в большом количестве можно встретить лазеры, где в качестве залежи квантов используется жидкость или газ, как предложил Али Яван, однако твердотельные аппараты продолжают удерживать позиции.

Современные твердотельные генераторы накачки используют в качестве активной среды все тот же рубиновый стержень из окисленного алюминия с примесью хрома и обрамленный с двух сторон серебряными стеклами. Тыловая решетка на основе серебра непрозрачна для испускаемых квантов, а фронтальная – обеспечивает эффект полупроницаемости. Возбужденные электрическим током ионы хрома испускают кванты света, которые по достижению определенной концентрации циркулируют внутри замкнутого пространства и выводят на новый энергетический уровень все новые ионы. В конечном счете, наиболее мощные твердотельные установки дают лазерное излучение сечением в квадратный сантиметр и мощностью до 100 ватт, разогревая металлическую поверхность до миллиона градусов. Конечно, в большинстве случаев используются менее мощные агрегаты с диаметром квантового потока 0,1 мм, но даже они не смогли противостоять банальному клею.

В основе технологии трансмиссионной сварки усовершенствованных пластмасс лежит использование двух типов пластиковых листов и инфракрасного излучения: прозрачный материал ложится наверх, поглощающий слой становится подложкой, разогревание происходит на месте стыка. Это достаточно удобно, ведь верхний прозрачный слой может быть любой толщины, но трансмиссионная сварка внахлест может применяться далеко не всегда. В итоге, внедрение пластмассы затруднялось тем, что лазерное излучение в достаточной мере не поглощается непрозрачными пластиками, процент коих достаточно велик. Лучшие умы США, Германии, Великобритании бились над усовершенствованием генератора накачки, увеличением КПД и внедрением газово-импульсной технологии.

А русские ученые нашли ответ буквально «на поверхности». На практике лазерное излучение может проникать в непрозрачные тела, демонстрируя при определенных условиях на линии раздела сред эффект самофокусировки. За счет объединения нескольких квантов происходит многократное увеличение частоты, вызывающее генерацию второй и третьей гармоники. В более широком смысле инфракрасный лазер при строго заданных физических параметрах излучения становится зеленым со 100% КПД. Недостатком же самофокусировки являются нестабильные биения, вызванные столкновением в твердой среде встречных волн.
Сложный физический процесс положил начало разработке инновационных высокоточных сварочных аппаратов, демонстрирующих скоростное соединение абсолютно любых материалов, отсутствие вибрации и тепловой деформации, минимальное структурное повреждение материала, повышенную прочность швов. Разработка российских ученых позволила использовать лазерную сварку даже для соединения окрашенных смол без потери эстетической привлекательности.

Читайте так же:
Пилки для лобзика по дереву размеры

Аргонодуговая и лазерная сварка медицинских и других миниатюрных изделий

В качестве альтернативы аргонодуговой сварке лазерная сварка предлагает определенные преимущества, которые могут оказаться полезными для миниатюризации медицинских устройств, датчиков и других задач.
Сварка часто используется для соединения металлических деталей при изготовлении медицинских устройств, инструментов и имплантов. Традиционно для этих целей используется аргонодуговая сварка, она же TIG-сварка. Однако, аргонодуговая сварка может привести к нежелательным результатам, особенно когда речь идет о сварке тонких металлов или когда требуется небольшая глубина провара (например, до 1мм). Во многих случаях лазерная сварка предлагает привлекательную альтернативу, позволяющую снизить стоимость производства и улучшить качество продукции.

Лазерная сварка и TIG-сварка

При аргонодуговой сварке две металлические детали находятся в контакте или на расстоянии небольшого зазора друг от друга. Высокое напряжение между вольфрамовым электродом и деталями приводит к появлению дуги, которая плавит материал. Данный расплав сливается и затем затвердевает, образуя сварной шов. Аргонодуговая сварка может проводится как с присадочной проволокой, так и без нее. Защитный газ применяется для предотвращения окисления электрода и сварного шва.
При лазерной сварке для плавления соединяемых металлов вместо электрической дуги используется сфокусированный лазерный пучок со значительной энергией. Как и в случае с аргонодуговой сваркой при лазерной сварке может использоваться присадочная проволока и защитный газ. В целом, для лазерной сварки характерны два режима: поверхностный (кондуктивный) режим и режим глубокого проплавления («keyhole» — замочная скважина).
Для кондуктивного режима характерна относительно низкая плотность мощности – около 0,5МВт/см2. При данном режиме формируется неглубокая и широкая сварочная ванна, а нагрев, необходимый для плавления передается в глубину от нагреваемой поверхности. Данный режим позволяет получить эстетичный шов, не требующий дальнейшей обработки.
Для режима глубокого проплавления свойственны существенно более высокие плотности мощности – свыше 1МВт/см2. В центре сфокусированного пучка (там, где обычно плотность мощности выше) металл испаряется открывая узкий и глубокий канал – «замочную скважину», окруженную расплавом. Данный метод позволяет сваривать детали значительной толщины.

Читайте так же:
Стусло потолочный плинтус видео

Пониженный нагрев

Аргондуговая сварка

Главное преимущество лазерной сварки, особенное в кондуктивном режиме, заключается в существенно меньшем нагреве деталей в сравнении с TIG-сваркой, что делает данный метод наиболее выигрышным при производстве медицинских устройств, где тренд на миниатюризацию диктует все более жесткие требования к процессу изготовления.
Меньшая зона нагрева предоставляет важные преимущества в производственном процессе. Во-первых, меньший размер этой зоны позволяет производить сварку на готовых деталях без опасения появления косметических, функциональных или геометрических дефектов. Таким образом, маркировка, покрытие и другие примыкающие к зоне обработки поверхностные нанесения останутся неповрежденными, равно, как и чувствительные элементы сборок такие, как пружины, магниты и пластиковые компоненты. Кроме того, меньшая зона нагрева позволяет исключить предварительную и последующую обработку материала, которая может понадобится при аргонодуговой сварке, например, отжиг деталей для снятия образовавшихся в материале напряжений.
Аргонодуговая сварка также может вызвать изменение цвета шва и материала в прилегающей зоне ввиду проявления цветов побежалости, что довольно редко встречается при лазерной сварке.

Рис. 1. Аргонодуговая сварка 3мм (слева) и 5мм стали. Ярко выражены цвета побежалости.

Лазерная сварка: угловая и стыковая

Рис. 2. Лазерная сварка 1мм стали (слева) и стыковая сварка. Шов не имеет цветов побежалости и не требует обработки

Сварка различающихся сплавов

Еще одной ключевой особенностью лазерной сварки является возможность более простого соединения различающихся сплавов стали (например, 20Х13 и 08Х18Н10), алюминия или титана. Необходимо отметить, что сваривать друг с другом разные металлы, например, сталь и алюминий, лазерная сварка может лишь с существенными ограничениями. При TIG-сварке различающихся сплавов главной проблемой являются различия в химическом составе и твердости, что приводит к неоднородному застыванию расплава, способному вызвать растрескивание и образование пор в структуре шва. Для борьбы с этим негативным эффектом используется присадочная проволока и/или методы предварительной и последующей обработки, что, разумеется, влияет на стоимость и трудоемкость процесса.
Лазерная импульсная сварка позволяет решить данную проблему более экономичными методами: методом контроля формы пучка и методом контроля временных параметров импульса. Например, при сварке высокоотражающих металлов таких, как алюминий или медь, традиционно используется импульс с крутым передним фронтом, за которым следует резкий спад до некоторого оптимального значения. Это делается для того, чтобы преодолеть отражение поверхности материала, расплавить его и, понизив энергию импульса, удержать расплав в оптимальном состоянии. Подобная функция профилирования пучка встречается не во всех системах управления, но в лазерных станках Weld-CNC она имеется и позволяет задавать произвольную форму импульса и сохранять его для дальнейшего повторного использования.

Читайте так же:
Сталь что за металл

Рис. 3. Профилирование лазерного пучка методом задания дискретных точек

Практическое применение

Лазерная сварка зубного штифта

Несмотря на очевидные преимущества лазерной сварки широкое использование до недавнего времени данный метод имел исключительно в сегменте автоматизированного и довольно дорогостоящего оборудования, что, разумеется, существенно ограничивало сферу его применения. Однако с появлением на рынке оборудования с частично автоматизированным или ручным позиционированием деталей в области обработки данная технология получила широкое распространение и внедрение во многие отрасли. Так, например, при лазерной сварке миниатюрных зубных штифтов использование лазерного станка с ЧПУ Weld-CNC позволяет получить надежный и эстетичный шов без последующей его обработки. Кроме того, данную систему можно «обучить» перемещению по заданной траектории и многократно воспроизводить ее в дальнейшем с высокой повторяемостью.

Рис. 4. Лазерная сварка зубного штифта.

Таким образом, подводя итог, можно сказать, что для сварки тонких материалов (до 1-1.5мм) лазерная сварка является более предпочтительным и более технологичным способом, тогда как для сварки толстых материалов использование TIG-сварки более экономически выгодно.
Еще раз основные преимущества лазерной сварки:
1) Позволяет сваривать друг с другом различные сплавы
2) Позволяет избежать нагрева деталей вне зоны обработки
3) Может быть использована в системах с частичной или полной автоматизацией процесса
4) Шов не требует последующей обработки

Оборудование

мужчина за станком

Комплект оборудования состоит из:

  • Устройство генерирующие лазерный луч.
  • Система фокусировки.
  • Система перемещения луча и металлической заготовки.

Лазерные сварки бывают стационарные и мобильные (переносные).

  • Стационарные установки, как правило, устанавливаются в цехах и неподвижны.
  • Мобильные установки перевозят на специальных тележках. Такие модели оснащены колесами для транспортировки.

Сами же лазеры бывают двух типов:

  • Твердотельные они нуждаются в стекле с присадкой ионов или в рубине.
  • Газовые они мощнее и проще, но нуждаются в смеси газов.

Газодинамические лазеры – они очень дорогие и редко встречаются на отечественных заводах, являются самыми мощными и применяются на специфических производствах.

Особенности сварки различных металлов

Сваривание сталей, алюминия, титана имеет свои особенности, рассмотрим подробнее.

Сваривание сталей подразумевает обязательное очищение поверхности от коррозии, окалины, влаги и прочего.

Это необходимо для того, чтобы в процессе работы не возникало пористости и оксидных соединений.

Иногда из-за неочищенной поверхности в самом шве могут возникать холодные трещины, при сварке стальных труб это образование не допустимо.

Зачистка поверхности делается с использованием нержавеющих щеток не только в том месте, где будет располагаться шов, но еще и на прилегающей площади (10-15 см). Место сваривания сталей необходимо обезжирить.

Читайте так же:
Настольная пилорама по дереву

Сварка нержавеющих сталей внахлест не рекомендуется из-за чувствительности материала к концентраторам напряжения, только в стык.

Лазерная сварка стальных труб – дело непростое, поэтому выполнять его своими руками не рекомендуется, лучше доверить его специалистам.

Магниевые сплавы и алюминий также имеет свои особенности.

Обычная сварка может сопровождаться испарением легирующих элементов и окислением поверхности.

Поверхность материалов обрабатывается механически, проходит травление, а впоследствии осветляется, промывается с помощью горячей воды, а перед сваркой зачищается шабером.

Магниевые сплавы соединяются без использования подкладок.

Соединение титана предполагает ряд сложностей:

  • при высоких температурах материал становится химически активным веществом;
  • когда температура при обработке титана начинает превышать 330 градусов, тогда можно увидеть рост зерна;
  • могут возникать холодные трещины в самом шве из-за высокого уровня содержания водорода.

Все перечисленные трудности можно избежать при использовании лазерной сварки титана.

Перед рабочим процессом необходимо обработать поверхность титана: зачистить, можно использовать для этого пескоструйную обработку, химически затравить, обеспечить впоследствии осветление и промыть.

Для создания качественного шва на поверхности титана необходимо обработать его гелием. К сварке титана применим ГОСТ Р ИСО 5817-2009.

Преимущества [ | ]

  • возможность сварки высокоточных конструкций;
  • сварка без правок или механической обработки;
  • высокая скорость сварки и производительность работ (стальной лист толщиной 20 мм электрической дугой сваривают со скоростью 15 м/ч за 5 — 8 проходов, при сварке непрерывным лазерным лучом лист сваривается со скоростью 100 м/ч за 1);
  • высокая экологическая безопасность по сравнению с традиционной сваркой;
  • минимальные температурные поводки и коробление металла (в сравнении с другими методами);
  • хороший внешний вид, что важно, например, при сварке автомобильных кузовов.

Из чего состоит лазерная установка для ручной сварки

Независимо от бренда и модели устройства, оно будет иметь следующие базовые элементы:

  • источник лазерного излучения (генератор);
  • блок, именуемый сварочная головка (альтернативное наименование, сварочная голова). В нём имеется линза для фокусировки;
  • программный блок, с которого осуществляется управление сварочным аппаратом;
  • блок питания;
  • чиллер (охлаждающее устройство);
  • устройство, подающее присадочную проволоку.

лазерная сварка

Лазерный источник для лазерного сварочника

Мы предлагаем заказчикам генераторы излучения только проверенных брендов, гарантирующих высочайшее качество сварочных работ. Это изделия следующих производителей:

  • IPG

Самые перспективные источники, если оценивать их по таким характеристикам, как качество формируемого лазерного луча, стабильность последнего, к-т преобразования электроэнергии (ЭЭ) в энергию луча лазера (ЛЛ).

Обеспечивают выполнение сварки разнородных материалов, включая алюминий, медь, латунь.

Предлагаются с двойной защитой, исключающей обратное излучение (ОИ). Это гарантирует стабильную работу сварочного аппарата при попадании луча лазера в диодную сборку или волокно.

Читайте так же:
Фрезы по дереву для врезки замков

Важное преимущество – российское производство. применяется без ограничений на типы свариваемых материалов.

  • JPT

Сопоставимы по характеристикам с предыдущей продукцией, однако уступают ей по эффективности преобразования ЭЭ в энергию ЛЛ. Также комплектуются комплексной защитой от ОИ. Оптимальный выбор для сварки Alи сплавов на его основе. Обладают более доступными ценами.

  • RECI

Наиболее простые в плане конструктивного исполнения. Прекрасный выбор для сварки алюминия, стали углеродистой и нержавеющих марок.

Отсутствует защита от обратного отстрела. Установки, укомплектованные подобными источниками, рекомендованы для организаций, специализирующихся на изготовлении мебели из стали нержавеющих марок, производством металлоконструкций.

этих источниках используется жидкостное охлаждение, что обеспечивает существенное увеличение сроков безаварийной эксплуатации.

Продукция иных брендов в наши сварочные установки не ставится, что объясняется значительным числом нареканий от пользователей на низкое качество сборки и качество формируемого лазерного пучка.

Сварочная голова

Предлагаются в следующих вариантах исполнения:

  • В комплект входит 1 блок двигателей для 1 блока линз фиксирующих.

Рассчитана на качественное выполнение сварки с диаметром формируемого пятна ≤5 мм. Это позволяет вести сварку достаточно толстых деталей встык. При этом разрешённые допуски качества кромок свариваемых заготовок могут варьироваться в широком диапазоне.

Допускается ведение сварки с осциляцией лазерного луча, либо без таковой. Вес головы не превышает 800 г.

Эти модели производители рекомендуют применять совместно со специальными системами, подающими сварочную проволоку.

  • Число блоков двигателей и линз – по два.

Обеспечивает качественную (без прожига) сварку материалов, толщина которых задаётся диапазоном (0,5-1,0) мм. Повышению качества формируемого шва способствует применение осцилляции, которой придана форма песочных часов. Для сварочной головки с одним мотором это невозможно. Такая головка значительно тяжелее (свыше 2 кг).

Чиллер

Наши модели комплектуются двухконтурным устройством охлаждения производства компании S&A. Первый решает задачи поддержания оптимальной температуры источника лазерного излучения с точностью до 0,5°С. Второй применяется для охлаждения самой сварочной головки.

Лазерная сварка имеет множество преимуществ, основными из которых являются:

  • возможность варить высокоточные конструкции;
  • не требуется правка швов, их механическая доработка;
  • высокая скорость сварки;
  • значительная производительность;
  • большая глубина формируемого шва при минимальной ширине;
  • технология весьма экономичная;
  • возможность ведения сварочных работ в труднодоступных местах.

Мы поставим вам оборудование для лазерной сварки требуемой производительности, с необходимыми характеристиками, по приемлемым ценам.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector