Представьте себе метод сварки, настолько точный и мощный, что он может соединять материалы с минимальными искажениями и непревзойденной прочностью. Такова перспектива лазерной сварки глубокого проникновения. В этой статье вы узнаете, как работает эта передовая технология, какие принципы лежат в ее основе и как она применяется в различных отраслях промышленности. От повышения эффективности производства до обеспечения высокого качества сварных швов - вы откроете для себя преобразующий потенциал этой передовой технологии. Погрузитесь в процесс, чтобы понять параметры процесса, преимущества и будущее сварки с помощью лазеров.
Процесс лазерной сварки, в первую очередь для сварки листового металла, можно разделить на две категории: волоконная непрерывная лазерная сварка и импульсная лазерная сварка YAG.
Исходя из принципа лазерной сварки, ее можно дополнительно разделить на сварку с теплопроводностью и лазерную сварку с глубоким проникновением. Если плотность мощности не превышает 104-105 Вт/см², то это считается сваркой с теплопроводностью. Это приводит к неглубокому проплавлению и более низкой скорости сварки.
С другой стороны, когда плотность мощности превышает 105-107 Вт/см², на поверхности металла образуются "дыры" из-за нагрева, что приводит к лазерной сварке с глубоким проплавлением. Этот метод характеризуется высокой скоростью сварки и большим отношением глубины к ширине.
Принцип теплопроводности лазерная сварка Нагрев обрабатываемой поверхности с помощью лазерного излучения, отвод тепла от поверхности путем передачи и внутренней диффузии и расплавление заготовки с образованием определенного расплава путем управления параметрами лазера, такими как ширина импульса, энергия, пиковая мощность и частота повторения. Этот метод подходит для тонких сварка пластин.
Лазерная сварка глубокого проникновения в основном используется для сварки зубчатых колес и металлургических сварка листовВ этой статье речь пойдет о принципе лазерной сварки глубокого проникновения.
Алюминиевая оболочка литиевой батареи верхняя крышка сварки - волокно непрерывного лазера (новая энергия транспортного средства клетки, в основном 3-Серия алюминий)
Лазерная сварка глубокого проникновения использует для соединения материалов непрерывный лазерный луч высокой плотности, обычно подаваемый через оптическое волокно. Эта передовая технология сварки имеет общие черты с электронно-лучевой сваркой: в обоих случаях используется механизм "замочной скважины" для плавления материала.
Когда сфокусированный лазерный луч попадает на поверхность заготовки, он быстро нагревает материал выше точки испарения, создавая узкую, заполненную паром полость, называемую замочной скважиной. Эта замочная скважина действует как почти идеальное черное тело, эффективно поглощая последующую лазерную энергию и способствуя глубокому проникновению в материал.
Температура внутри замочной скважины может превышать 2500°C, что значительно выше температуры плавления большинства металлов. Теплопередача происходит от стенок замочной скважины к окружающему материалу, в результате чего образуется бассейн расплава, охватывающий замочную скважину. Этот бассейн расплава состоит из тонкого слоя жидкого металла, окруженного твердым материалом.
Замочная скважина поддерживается динамическим равновесием между несколькими силами:
Когда лазерный луч проходит через заготовку, шпоночное отверстие и связанный с ним бассейн расплава движутся в тандеме. Передний край шпоночного отверстия продолжает испарять материал, а задний край позволяет расплавленному металлу вытекать обратно, заполняя пустоту. Затем этот расплавленный металл быстро застывает, образуя сварной шов.
В отличие от традиционных методов сварки и лазерной кондуктивной сварки, при которых энергия осаждается на поверхности и передается внутрь через теплопроводность, лазерная сварка с глубоким проникновением позволяет напрямую соединять энергию глубоко внутри материала. Это приводит к:
Высокая плотность энергии и эффективный механизм соединения обеспечивают скорость сварки в несколько метров в минуту, что значительно превосходит традиционные методы сварки. Кроме того, быстрые циклы нагрева и охлаждения могут привести к формированию уникальных микроструктур в зоне сварки, что часто приводит к улучшению механических свойств.
Способность лазерной сварки с глубоким проплавлением создавать глубокие узкие швы при минимальном тепловыделении делает ее особенно подходящей для соединения толстых секций, разнородных материалов и термочувствительных компонентов в таких отраслях, как автомобильная, аэрокосмическая и передовая промышленность.
6 серии алюминия волокна CW лазерной сварки (это высокоскоростной железнодорожный пол)
Существует порог плотности энергии лазера при лазерной сварке. Если плотность лазерной энергии ниже этого значения, проплавление будет неглубоким. Однако если она достигает или превышает это значение, проплавление значительно улучшается.
Образование плазмы, означающее прогресс стабильной сварки с глубоким проплавлением, происходит только тогда, когда плотность мощности лазера на заготовке превышает пороговое значение, которое зависит от материала.
Когда плотность мощности лазера ниже порогового значения, происходит только поверхностное плавление заготовки, что приводит к стабильной теплопроводной сварке.
Если плотность мощности лазерного излучения близка к критическому состоянию для образования замочной скважины, то процесс сварки становится нестабильной, при этом чередуются сварка с глубоким проплавлением и сварка с проведением, что приводит к значительным колебаниям глубины проплавления.
При лазерной сварке с глубоким проплавлением мощность лазера одновременно контролирует глубину проплавления и скорость сварки. Глубина проплавления напрямую связана с плотностью мощности луча и является функцией мощности падающего луча и фокусного пятна луча.
В целом, для лазерного луча заданного диаметра проникающая способность увеличивается с ростом мощности луча.
Чайник лошадь - YAG импульсной лазерной сварки (может непосредственно сделать внешний вид поверхности)
Размер пятна луча является критической величиной при лазерной сварке, поскольку он определяет плотность мощности. Однако измерение размера пятна для мощных лазеров является сложной задачей, несмотря на наличие различных технологий косвенных измерений.
Предельный размер дифракционного пятна в фокусе луча может быть рассчитан с помощью теории дифракции света, но фактический размер пятна больше из-за наличия аберраций фокусирующей линзы.
Самый простой метод измерения - метод равного температурного профиля, который заключается в измерении фокусного пятна и диаметра перфорации после сжигания плотной бумаги и пробивания полипропиленовой пластины.
Этот метод требует владения мощностью лазера и временем действия луча, что может быть достигнуто путем практики и измерений.
Лазерное поглощение материалов зависит от нескольких важных свойств материала, таких как поглощающая способность, отражательная способность, теплопроводность, температура плавления, температура испарения и так далее.
На поглощение материала лазерным лучом влияют два фактора:
Во-первых, коэффициент сопротивления материала. После измерения поглощающей способности полированной поверхности материала было обнаружено, что поглощающая способность материала прямо пропорциональна квадратному корню из коэффициента сопротивления, который изменяется с температурой.
Во-вторых, состояние поверхности или отделка материала, которая оказывает значительное влияние на поглощение луча и, следовательно, на эффект сварки.
Материалы с высокой чистотой и общей проводимостью, такие как нержавеющая сталь и никель, лучше всего поддаются сварке.
С другой стороны, высокопроводящие материалы, такие как медь и алюминий трудно поддаются сварке. Сварка алюминия серии 6 и выше чревата появлением трещин и пор.
Сайт сварка меди как правило, зависит от требований приложения, и это может быть сделано с YAG импульсный лазер и волокна непрерывного лазера.
В ювелирной промышленности золото и серебро обычно сваривают точечной сваркой. Однако в промышленности сварка этих материалов применяется редко. В данном разделе речь идет о промышленных применениях.
Длина волны на выходе CO2 лазеров обычно составляет 10,6 мкм. При комнатной температуре скорость поглощения неметаллические материалытаких как керамика, стекло, резина и пластмассы, очень высока, в то время как скорость поглощения металлических материалов низка.
Однако если материал расплавить или даже испарить, его поглощение резко возрастает.
Метод нанесения поверхностного покрытия или формирования оксидной пленки на поверхности очень эффективен для улучшения поглощения световых лучей.
Скорость сварки оказывает значительное влияние на глубину проплавления. Увеличение скорости приведет к меньшей глубине проплавления, но слишком низкая скорость вызовет чрезмерное плавление материала и приведет к слишком большому проплавлению заготовки.
Таким образом, существует подходящий диапазон скоростей сварки для конкретного материала с определенной мощностью лазера и толщиной, и максимальное проплавление может быть достигнуто при соответствующем значении скорости.
Нержавеющая сталь YGA импульсной лазерной сварки проволоки заполнения (он может преодолеть проблему большой стык и внешний вид обработка поверхности на более поздней стадии)
Инертный газ часто используется при лазерной сварке для защиты расплавленной ванны. В некоторых случаях защита может не потребоваться, если материал может быть сварен без окисления поверхности.
Однако в большинстве случаев для защиты заготовки от окисления во время сварки используются гелий, аргон, азот или другие газы.
Гелий является эффективным экранирующим газом благодаря высокой энергии ионизации, которая позволяет лазерному лучу проходить беспрепятственно и достигать поверхности заготовки без каких-либо препятствий. Однако он относительно дорог.
Аргон относительно дешев и обладает высокой плотностью, обеспечивая хорошую защиту. Однако он подвержен ионизации высокотемпературной металлической плазмой, что снижает эффективную мощность лазера и скорость сварки, а также проплавление.
Поверхность сварного шва, защищенного аргоном, более гладкая по сравнению с поверхностью, защищенной гелием.
Азот - самый дешевый защитный газ, но он не подходит для некоторых типов сварка нержавеющей стали из-за металлургических проблем, таких как абсорбция, которая иногда приводит к образованию пор в области круга.
Вторая цель использования защитного газа - защита фокусирующей линзы от загрязнения парами металла и разбрызгивания капель жидкости, что особенно важно при мощной лазерной сварке, когда выброс становится более мощным.
Третья функция защитного газа - рассеивание плазменной защиты, образующейся при мощной лазерной сварке. Пары металла поглощают лазерный луч, ионизируя его в плазменное облако, а защитный газ вокруг паров металла также ионизируется из-за нагрева.
Если плазмы слишком много, она в определенной степени поглощает лазерный луч. Плазма на рабочей поверхности действует как второй источник энергии, делая проплавление более мелким, а поверхность сварочной ванны - более широкой.
Скорость рекомбинации электронов может быть увеличена за счет увеличения столкновений электронов с ионами и нейтральными атомами, что уменьшает электронную плотность в плазме.
Чем легче нейтральный атом, тем выше частота столкновений и скорость рекомбинации.
С другой стороны, только защитный газ с высокой энергией ионизации не будет увеличивать плотность электронов за счет собственной ионизации.
Атомный (молекулярный) вес и энергия ионизации обычных газов и металлов
| Материал | Он | Ar | N | Эл | Mg | Fe |
| Атомный (молекулярный) вес | 4 | 40 | 28 | 27 | 24 | 56 |
| Энергия ионизации (эВ) | 24.46 | 15.68 | 14.5 | 5.96 | 7.61 | 7.83 |
Как показано в таблице, размер плазменного облака зависит от типа используемого защитного газа. Гелий создает самое маленькое плазменное облако, азот - второе по величине, а аргон - самое большое. Чем больше размер плазмы, тем меньше глубина проникновения.
Это различие обусловлено не только разными уровнями ионизации молекул газа, но и разницей в диффузии паров металла, вызванной разной плотностью защитного газа.
Гелий обладает самой низкой ионизацией и плотностью, и он может быстро очистить расплавленный бассейн от поднимающихся паров металла.
Таким образом, использование гелия в качестве защитного газа позволяет эффективно подавлять плазму, увеличивать проплавление и скорость сварки. Кроме того, он легкий и вряд ли приведет к образованию пор.
Однако при реальной сварке использование аргона в качестве защитного экрана дает хорошие результаты. Влияние плазменного облака на проплавление наиболее заметно при низких скоростях сварки, а с увеличением скорости сварки его влияние уменьшается.
Защитный газ выпускается на поверхность заготовки через сопло под определенным давлением. Форма сопла и диаметр выходного отверстия имеют решающее значение, так как сопло должно быть достаточно большим, чтобы покрыть поверхность сварки с защитным газом, но его размер также должен быть ограничен, чтобы эффективно защитить линзу и предотвратить загрязнение парами металла или брызгами металла от повреждения линзы.
Скорость потока также должна контролироваться, иначе ламинарный поток защитного газа станет турбулентным и воздух будет втягиваться в расплавленный бассейн, образуя поры.
Для улучшения защитного эффекта можно также использовать боковой обдув, при котором защитный газ впрыскивается в небольшое отверстие при сварке с глубоким проплавлением под определенным углом через сопло малого диаметра.
Это не только уменьшает плазменное облако на поверхности заготовки, но и влияет на плазму в отверстии и образование мелких отверстий, что приводит к увеличению глубины проплавления и идеальному сварному шву с высоким соотношением глубины и ширины.
Однако этот метод требует точного контроля величины и направления газового потока, так как может возникнуть турбулентность и повреждение расплавленной ванны, что затрудняет стабилизацию процесса сварки.
Лазерный луч обычно фокусируется во время сварки, и обычно выбирается линза с фокусным расстоянием от 63 мм до 254 мм (от 2,5″ до 10″). Размер пятна фокусировки прямо пропорционален фокусному расстоянию; меньшее фокусное расстояние приводит к меньшему пятну.
Однако фокусное расстояние также влияет на глубину фокусировки, которая увеличивается с ростом фокусного расстояния. Это означает, что короткое фокусное расстояние повышает плотность мощности, но требует точного соблюдения расстояния между линзой и заготовкой для правильного проникновения.
При реальной сварке обычно используется кратчайшее фокусное расстояние 126 мм (5″). Если требуется более крупный шов или более интенсивная сварка, можно выбрать линзу с фокусным расстоянием 254 мм (10″), но это требует более высокой выходной мощности лазера для получения желаемого эффекта глубокого проникновения в замочную скважину.
При мощности лазера более 2 кВт, особенно для СО2-лазеров 10,6 мкм, часто используется метод фокусировки на отражение, с полированными медными зеркалами в качестве зеркал, чтобы избежать риска оптического повреждения фокусирующей линзы.
Медные зеркала часто рекомендуются для мощных фокусировка лазерного луча благодаря эффективному охлаждению.
При лазерной сварке положение фокуса имеет решающее значение для обеспечения достаточной плотности мощности. Изменение относительного положения между фокусом и поверхностью заготовки существенно влияет на глубину и ширину сварного шва.
В большинстве Применение лазерной сваркиФокус обычно устанавливается примерно на четверть требуемой глубины проникновения под поверхность заготовки.
Конечное качество шва при лазерной сварке различных материалов в значительной степени зависит от положения лазерного луча, причем стыковые соединения более чувствительны, чем нахлесточные.
Например, при сварке закаленного стальная шестерня на барабан из низкоуглеродистой стали, правильное управление положением лазерного луча приведет к получению сварного шва, состоящего в основном из низкоуглеродистых компонентов, которые обладают превосходной трещиностойкостью.
В некоторых ситуациях геометрия свариваемой детали требует угла отклонения лазерного луча. Если угол отклонения между осью луча и плоскостью шва составляет менее 100 градусов, то поглощение лазера энергия заготовки остается неизменной.
При лазерной сварке с глубоким проплавлением небольшие отверстия присутствуют независимо от глубины шва. Когда процесс сварки завершен и выключатель питания выключен, на конце шва появляются ямки.
Кроме того, если новый слой лазерной сварки перекрывает предыдущий, может произойти чрезмерное поглощение лазерного луча, что приведет к перегреву или пористости сварного шва.
Чтобы предотвратить эти проблемы, точки начала и окончания подачи мощности можно запрограммировать таким образом, чтобы время начала и окончания сварки можно было регулировать. Это достигается путем электронного увеличения начальной мощности от нуля до заданного значения мощности и быстрой регулировки времени сварки.
Наконец, мощность постепенно снижается от заданного значения до нуля в конце сварки.
Нержавеющая сталь оптического волокна непрерывной лазерной сварки (подходит для стыковая сварка из небольших пластин толщиной 0,2-3 мм)
1. Сварка с высоким соотношением сторон
Лазерная сварка с глубоким проплавлением отличается способностью создавать глубокие, узкие сварные швы с высоким коэффициентом пропорциональности. В этом процессе используется сфокусированный лазерный луч для создания цилиндрической замочной скважины из испаренного металла, которая проникает глубоко в заготовку. По мере продвижения замочной скважины расплавленный металл течет вокруг нее, застывая и образуя сварной шов с исключительным соотношением глубины и ширины, часто превышающим 10:1.
2. Минимальное потребление тепла
Благодаря концентрации энергии внутри замочной скважины процесс достигает плавления при очень низких затратах тепла. Такой локализованный нагрев приводит к быстрому плавлению и затвердеванию, минимизируя общую теплопередачу к заготовке. Следовательно, термические искажения значительно уменьшаются, а зона термического влияния (HAZ) значительно меньше по сравнению с традиционными методами сварки, что позволяет сохранить механические свойства основного материала.
3. Сварные швы высокой плотности
Высокотемпературный пар в шпоночном отверстии вызывает энергичное перемешивание расплавленной ванны, способствуя выходу застрявших газов и примесей. Этот механизм в сочетании с быстрой скоростью затвердевания позволяет получать исключительно плотные сварные швы с минимальной пористостью. Мелкозернистая микроструктура, образующаяся в результате быстрого охлаждения, еще больше повышает механические свойства сварного шва и его устойчивость к дефектам.
4. Превосходная прочность сварного шва
Лазерная сварка с глубоким проплавлением исключает необходимость использования присадочных материалов или электродов, уменьшая попадание примесей в сварочную ванну. Интенсивный локализованный нагрев изменяет размер и распределение включений, часто приводя к их измельчению или устранению. В результате металл шва часто демонстрирует прочность и вязкость, равные или превосходящие прочность и вязкость основного материала, а также улучшенную усталостную прочность и пластичность.
5. Точное управление и гибкость
Высокофокусированный лазерный луч, диаметр пятна которого обычно составляет 0,2-0,6 мм, обеспечивает исключительную точность позиционирования сварного шва и контроль геометрии. Возможность мгновенного включения/выключения лазерного источника в сочетании с передовыми технологиями манипулирования лучом позволяет создавать сложные схемы сварки и легко интегрироваться с системами ЧПУ. Благодаря такой точности лазерная сварка идеально подходит для сложных геометрических форм и автоматизированного производства.
6. Бесконтактная атмосферная обработка
Лазерная сварка, являясь бесконтактным процессом, исключает износ инструмента и деформацию заготовки, связанные с механическим контактом. На передачу энергии через фотоны не влияют магнитные поля или атмосферные условия, что позволяет выполнять сварку в различных условиях, включая вакуум или контролируемую атмосферу. Эта характеристика облегчает сварку чувствительных материалов и позволяет создавать уникальные конфигурации соединений, которые сложны для традиционных методов.
1. Высокая скорость сварки и минимальные искажения
Лазерная сварка с глубоким проплавлением использует высокофокусированный луч с плотностью мощности более 106 Вт/см2, что позволяет сваривать тонкие материалы со скоростью до 10 м/мин. Такая концентрация энергии приводит к образованию узкой зоны термического влияния (HAZ), которая обычно на 10-30% меньше, чем при традиционных методах дуговой сварки. Следовательно, термические искажения значительно уменьшаются, часто на 50-70%, что делает этот метод идеальным для прецизионной сварки термочувствительных материалов, таких как титановые сплавы и современные высокопрочные стали (AHSS).
2. Эффективность и низкая стоимость обслуживания
Точно контролируемый лазерный луч можно передавать на большие расстояния с помощью волоконной оптики и манипулировать им с помощью высокоскоростных гальванометрических сканеров, что устраняет необходимость в сложных механических системах. В отличие от электронно-лучевой сварки, лазерная сварка не требует вакуумной камеры, что сокращает время настройки до 80%. Бесконтактный характер процесса приводит к минимальному износу оборудования, а типичные интервалы технического обслуживания в 3-5 раз больше, чем у обычных сварочных систем, что значительно увеличивает время безотказной работы производства и общую эффективность оборудования (OEE).
3. Превосходное качество сварки и механические свойства
Быстрые скорости нагрева и охлаждения (103-105 °C/с), присущие лазерной сварке, способствуют формированию мелкозернистой микроструктуры и уменьшают сегрегацию элементов. В результате получаются сварные швы с прочностью на растяжение, часто на 5-15% превышающей прочность основного материала, и повышенной усталостной прочностью. Способность процесса поддерживать точный контроль над подачей тепла также позволяет сваривать разнородные материалы, расширяя возможности проектирования в таких отраслях, как аэрокосмическая и автомобильная.
4. Экономически эффективный
Высокая точность лазерной сварки (обычно ±0,1 мм) и минимальные искажения позволяют сократить или исключить послесварочную обработку во многих областях применения, что потенциально может снизить затраты на финишную обработку на 30-50%. Энергоэффективность процесса, часто в 2-3 раза превышающая традиционную дуговую сварку, в сочетании с уменьшением отходов материала из-за узких сварных швов, способствует снижению эксплуатационных расходов. В сценариях крупносерийного производства эти факторы могут привести к общей экономии затрат на 15-25% по сравнению с традиционными методами сварки.
5. Расширенная автоматизация и интеграция
Бесконтактный характер лазерной сварки в сочетании с ее совместимостью с системами мониторинга процессов в режиме реального времени (например, спектроскопический анализ, высокоскоростная визуализация) способствует беспрепятственной интеграции в среду Industry 4.0. Передовые роботизированные системы могут манипулировать лазерным лучом с шестью степенями свободы, что позволяет создавать сложные трехмерные траектории сварки. Такая гибкость в сочетании с возможностью быстрого переключения между параметрами сварки позволяет эффективно сваривать несколько материалов и разнотолщинные детали за один установ, что значительно сокращает время производственного цикла на автоматизированных производственных линиях.
1. Ограниченная глубина сварки
Хотя лазерная сварка с глубоким проплавлением имеет значительные преимущества во многих областях применения, у нее есть ограничения по достижимой глубине шва. Как правило, максимальная глубина проплавления составляет около 25-30 мм для мощных (>10 кВт) лазеров непрерывной волны в стали. Это ограничение по глубине связано, прежде всего, с физикой образования шпоночных отверстий и эффектами плазменной защиты на больших глубинах. Для более толстых материалов могут быть более подходящими альтернативные технологии сварки, такие как электронно-лучевая сварка или гибридная лазерно-дуговая сварка.
2. Жесткие требования к сборке заготовок
Лазерная сварка с глубоким проплавлением требует точной подгонки и позиционирования заготовок. Узкий фокус луча требует жестких допусков на зазоры, обычно менее 10% толщины материала или максимум 0,2-0,3 мм. Такое требование к точности может увеличить время и стоимость подготовки, особенно для крупных или сложных узлов. Усовершенствованные системы крепления, отслеживание швов в реальном времени и технологии адаптивного управления могут помочь смягчить эти проблемы, но повышают общую сложность системы.
3. Значительные первоначальные инвестиции в лазерную систему
Приобретение и настройка системы лазерной сварки глубокого проникновения представляют собой значительные капиталовложения. Мощные лазеры, прецизионная оптика для доставки луча, надежные системы перемещения и специализированные защитные кожухи способствуют высоким первоначальным затратам. Кроме того, необходимость в квалифицированных операторах и обслуживающем персонале увеличивает эксплуатационные расходы. Однако при оценке окупаемости инвестиций важно учитывать долгосрочные преимущества, такие как повышение производительности, сокращение послесварочной обработки и улучшение качества сварных швов.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO