Лазерная сварка листового металла: Руководство для начинающих

Введение

Сварка является основным процессом в производство листового металлахарактеризуется высокой интенсивностью труда и тяжелыми условиями работы. Поэтому высокая квалификация является обязательным условием.

Автоматизация сварочных работ и разработка инновационных методов соединения постоянно находятся в центре внимания специалистов в области технология сварки.

Важнейшим аспектом автоматизации сварки является управление качество сварки и эффективность. В ходе процесса возникают такие проблемы, как выравнивание дуги и сварного шва, равномерность зазоров между компонентами, проплавление шва и контроль сварочные искажения должны быть рассмотрены.

Благодаря стремительному развитию технология лазерной сваркиВ настоящее время она сделала значительный скачок вперед и достигла зрелости в применении в различных отраслях, включая производство бытовой техники, высокотехнологичной электроники, автомобилестроение, производство высокоскоростных поездов и прецизионную обработку.

Преимущества лазерной сварки можно понять, сравнив ее с традиционной дуговой сваркой. В этой статье мы рассмотрим лазерный процесс сварки и изучите, как добиться лучших результатов.

Для оценки качества лазерной сварки учитываются соотношение глубины и ширины шва и морфология поверхности. В этом посте мы рассмотрим параметры процесса, влияющие на эти показатели.

Эксперименты лазерная сварка были проведены на пластинах из нержавеющей стали, алюминия и углеродистой стали. Полученные результаты позволяют сделать практические выводы, которые могут быть использованы в сварочном производстве.

Лазерная сварка - это передовая технология производства, в которой в качестве источника тепла для сварки используется лазер с высокой плотностью энергии. Она широко используется в производство листового металла Благодаря своим преимуществам, среди которых высокая плотность энергии, высокая скорость сварки, экологическая чистота, минимальная деформация пластин и др.

Лазерная сварка, исходя из характеристик формирования сварного шва, может быть разделена на кондуктивную и сварка с глубоким проплавлением. При кондукционной сварке используется низкая мощность лазера, что приводит к увеличению времени формирования ванны расплава и малой глубине проплавления.

В основном он используется для сварки небольших деталей.

В отличие от этого, сварка с глубоким проплавлением имеет высокую плотность мощности, при которой металл в зоне лазерного облучения быстро плавится.

Это плавление сопровождается интенсивным испарением, что позволяет получить сварные швы значительной глубины с отношением ширины к глубине до 10:1.

Тонколистовые детали могут быть соединены с помощью различных методов сварки, включая лазерную сварку, пайку, сварку в атомарном водороде, контактную сварку, плазменно-дуговая сварка, и электронно-лучевой сварки.

При сравнении лазерной сварки с другими распространенными методы сваркиОна обладает значительными преимуществами с точки зрения зоны термического влияния, термических деформаций, качества сварного шва, необходимости использования присадочного материала и условий сварки.

Сравнение лазерной сварки с другими методами сварки приведено в таблице 1.

Таблица 1 Сравнение лазерной сварки с другими методами сварки

Характеристики лазерной сварки

При лазерной сварке используется лазер, который направляет высокоэнергетический лазерный луч в оптоволокно. После передачи он коллимируется в параллельный свет с помощью коллимирующей линзы, а затем фокусируется на заготовке.

Это приводит к созданию источника тепла с чрезвычайно высокой энергией, который расплавляет материал в месте соединения. Затем расплавленный металл быстро остывает, образуя высококачественный сварной шов. Внешний вид листового металла, сваренного лазером, показан на рисунке ниже.

Простое управление:

Лазерные сварочные аппараты просты в использовании. Управление простое, легко осваивается и удобно для пользователя. Уровень квалификации операторов относительно невысок, что позволяет сократить расходы на оплату труда.

Высокая гибкость:

Лазерные сварщики могут сваривать под любым углом и отлично справляются с труднодоступными местами. Они могут сваривать сложные компоненты и крупные детали неправильной формы, обеспечивая непревзойденную гибкость при сварке в любой ориентации.

Повышенная безопасность:

Высокобезопасная сварочная насадка активируется только при контакте с металлом и оснащена сенсорным выключателем с датчиком температуры тела. При работе со специализированным лазерным генератором необходимо соблюдать особые стандарты безопасности, включая ношение защитных очков для минимизации возможного повреждения глаз.

Superior Качество лазерного луча:

После фокусировки лазера достигается высокая плотность мощности. При высокой мощности и низкомодовой фокусировке лазера результирующий диаметр пятна получается крошечным, что значительно способствует автоматизации в тонких сварка листов.

Высокая скорость сварки с глубоким проникновением и минимальными искажениями:

Благодаря высокой плотности мощности лазерной сварки в процессе в металле образуются крошечные поры. Энергия лазера проходит глубоко в материал через эти поры с минимальным боковым распространением. Глубина проплавления материала значительна, а скорость сварки высока, что позволяет покрыть большую площадь за короткое время.

Сокращение трудозатрат:

Благодаря минимальному тепловыделению при лазерной сварке послесварочные искажения незначительны. Это позволяет получить визуально привлекательную поверхность сварного шва и сократить объем послесварочной обработки, что, в свою очередь, значительно снижает или даже исключает трудозатраты, связанные со сглаживанием и выравниванием.

Возможность сварки сложных материалов:

Лазерная сварка подходит не только для соединения различных разнородных металлов, но и для сварка металлов и сплавов, таких как титан, никель, цинк, медь, алюминий, хром, золото, серебро, сталь и сплавы для резки. Она полностью удовлетворяет потребности в развитии новые материалы в бытовых приборах.

Особенно хорошо подходит для сварки тонких листов и эстетических компонентов без покрытия:

Благодаря высокому коэффициенту пропорциональности при сварке, низкому тепловыделению, минимальной зоне термического влияния и уменьшенному искажению лазерная сварка особенно подходит для сварки тонких листов, эстетических компонентов без покрытия, прецизионных деталей и термически чувствительных компонентов. Это позволяет свести к минимуму послесварочные исправления и вторичную обработку.

Сравнение лазерной сварки с традиционной дуговой сваркой

Введение в дуговую сварку

Традиционный дуговая сварка Сварку можно разделить на несколько типов, включая дуговую сварку электродом, сварку вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG), сварку металлом в среде инертного газа (MIG) и дуговую сварку под флюсом.

При электродуговой сварке между электродом и заготовкой возникает дуга, выделяющая тепло, которое расплавляет металл в точке контакта электрода с заготовкой. В результате образуется лужа расплавленного металла. Затем электрод перемещается в определенном направлении, создавая новые лужи расплавленного металла и застывая в предыдущих лужах, в результате чего образуется сварной шов.

Диаграмма процесс сварки изображена на рисунке 1.

Рис. 1 Принципиальная схема электродуговой сварки

При сварке вольфрамовым электродом в инертном газе (TIG) в качестве разрядного электрода используется вольфрамовый электрод, который не расходуется в процессе сварки. Область сварки защищается инертным газом, обычно аргоном, а тепло, выделяемое дугой, используется для расплавления основного металла и сварочный материал. В результате получается гладкий поверхность сварки практически без брызг.

Газ Металлическая дуга Сварка (GMAW) - это процесс, при котором между сварочной проволокой и основным металлом возникает дуга, в результате чего проволока и основной металл расплавляются. Расплавленный материал застывает, образуя сварной шов.

Хотя дуговая сварка по-прежнему занимает доминирующее положение в сварочной промышленности, растущие требования к качеству и эффективности сварки привели к ограничениям в ее применении в некоторых высокотехнологичных областях. листовой металл производственные области. К недостаткам традиционной дуговой сварки относятся:

• Необходимость использования высокочистого аргона в качестве защитный газЭто может стоить дорого.
• Для правильной эксплуатации требуется высокий уровень квалификации и сертификации, что делает ее недоступной для многих.
• Ток высокой плотности и тепло, выделяемые во время процесс сварки может негативно повлиять на сварку металлических пластин с низкой температурой плавления.
• Низкая эффективность сварки и низкая скорость.
• Сайт поверхность сварки шероховатая, требующая дополнительной шлифовки для получения гладкой поверхности.
• Ограниченный прочность сварки.

Преимущества лазерной сварки

К основным методам лазерной сварки относятся сварка самоплавлением, качающаяся сварка, сварка с заполнением проволокой, гальванометрическая сварка и композитная сварка, сочетающая различные методы сварки.

В таблице 1 представлены преимущества лазерной сварки технология по сравнению с традиционной дуговой сваркой.

Для высокотехнологичных производств листового металла, где требуется продукция с высокой добавленной стоимостью, стабильным качеством, малыми зазорами и высокой эффективностью, лазерная сварка является лучшим выбором.

Таблица 1 Сравнение характеристик между лазерной и дуговой сваркой

Параметры процесса лазерной сварки

Индекс лазерного сварочного шва

Требования к сварочному эффекту деталей из листового металла варьируются в зависимости от потребностей заказчика. Эти требования в первую очередь отражаются в следующих показателях:

• Морфология поверхности (например, вогнутая, плоская или выпуклая)
• Отношение глубины к ширине сварочной ванны
• Отсутствие дефектов, таких как поры, трещины, загрязнения и подрезы

Морфология поверхности сварного шва может быть изменена путем регулировки таких факторов, как мощность сварки, расфокусировка, и режим сращивания. Соотношение глубины и ширины сварочной ванны является важным фактором, определяющим прочность сварного шва.

Для клиентов, предъявляющих требования к прочности сварочных изделий, необходимо пройти ряд этапов, включая резку проволоки, инкрустацию, шлифовку и полировку, коррозионные испытания и микроскопический металлографический анализ. Этот процесс отражает твердость сварного шва, которая тесно связана с соотношением глубины и ширины. Показатель прочности сварного шва на растяжение также может быть определен с помощью испытания на растяжение. На рис. 2 показан металлографический анализ коэффициента проплавления.

Рис. 2 Металлографический анализ коэффициента проникновения

В некоторых рабочих условиях сварные швы могут иметь такие дефекты, как поры, трещины, загрязнения и подрезы, которые могут представлять серьезную угрозу безопасности. Например, к некоторым изделиям предъявляются строгие требования по герметичности и водонепроницаемости.

На рисунке 3 показано сравнение нормальных сварных швов и швов с дефектами.

Рис. 3 сварной шов диаграмма

Факторы, влияющие на процесс лазерной сварки

На лазерную сварку непосредственно влияют несколько факторов, в том числе температура сваркиТемпература плавления сварочных материалов, скорость поглощения лазера сварочными материалами и тепловое воздействие.

В процессе сварки учитываются такие факторы, как свойства материала, мощность лазераПри этом необходимо учитывать скорость сварки, положение фокуса, защитный газ и сварочный зазор.

Лазерное поглощение сварочных материалов влияет на качество сварного шва. Такие материалы, как алюминий и медь, обладают более высоким коэффициентом поглощения лазера, в то время как углеродистая и нержавеющая сталь имеют более низкий коэффициент поглощения лазера. Сварочные материалы с высокой поглощающей способностью обычно требуют больше энергии для расплавления и формирования стабильной сварочной ванны.

Мощность лазера является источником энергии для лазерной сварки и играет решающую роль в определении эффекта сварки. Чем больше мощность лазера, тем лучше сварочный эффект. Однако слишком большая мощность лазера может привести к нестабильности сварочной ванны и уменьшению глубины провара. Поэтому выбор подходящего значения мощности лазера имеет решающее значение.

Существует обратная зависимость между скоростью сварки и проплавлением. Более высокая скорость сварки приводит к снижению энергопотребления, в то время как более низкая скорость может привести к перегреву, особенно при сварке термочувствительных материалов, таких как алюминий.

Положение фокуса напрямую влияет на проплавление и ширину сварного шва. Когда фокус расположен на поверхности сварочного материала, он называется нулевым фокусом. Когда фокус находится над или под сварочным материалом, он называется эксцентрическим фокусом. Точка нулевого фокуса имеет наименьший размер и самую высокую плотность энергии, в то время как сварка вне фокуса имеет меньшую плотность энергии, но большее световое пятно, что делает ее подходящей для сварки деталей с большим радиусом действия.

Тип и метод использования защитного газа также влияют на процесс сварки. Функция защитного газа заключается не только в предотвращении окисления во время сварки, но и в подавлении плазменного облака, образующегося во время лазерной сварки. Выбор защитного газа может повлиять на внешний вид и цвет поверхности сварного шва.

Сварной зазор свариваемой заготовки связан с проплавлением, шириной и морфологией сварного шва. Слишком большой сварочный зазор может привести к затруднению сплавления и совмещения, а также к воздействию лазера и потенциальному повреждению инструмента или заготовки. Увеличение светового пятна или размаха может улучшить сварку, но это улучшение ограничено.

Анализ сварочных испытаний

Сварка проводилась с использованием робота Yaskawa GP25, лазера Prima, ospri сварное соединение (диаметр сердечника 100 мкм, фокусное расстояние 300 мм) и устройство подачи проволоки WSX. Эффект сварки был проверен на 1,5-миллиметровом листе углеродистой стали Q235, нержавеющей стали SS304 и алюминии 3-й серии. легированная пластина.

Исходя из опыта, можно привести следующие рекомендации по процессу тестирования:

Для пробной сварки тонкого листа толщиной 1 мм можно использовать начальную мощность 1 кВт и скорость сварки 30 мм/с. Контрольная мощность может быть рассчитана как P=A-X, где A - постоянный коэффициент (A≥0), а X - толщина листа. С увеличением толщины листа постоянный коэффициент A постепенно уменьшается, и на него также влияет метод сварки.

Анализ процесса сварки листовой углеродистой стали

Параметры процесса контактной сварки см. в таблице 2. Q235 пластина из углеродистой стали толщиной 1,5 мм.

Таблица 2 Параметры процесса сварки углеродистой стали Q235 стальная пластина

Данные испытаний показывают, что когда качели сварка углеродистой стали пластин, мощность лазера следует увеличивать с ростом скорости сварки, при этом диапазон поворота должен оставаться неизменным. Если скорость поворота слишком медленная, сварной шов будет неравномерным.

В целом, для сварки самоплавлением углеродистой стали требуется меньше энергии по сравнению со сваркой самоплавлением углеродистой стали с поворотом, а для сварки самоплавлением углеродистой стали с поворотом требуется меньше энергии по сравнению со сваркой присадочной проволокой. Необходимая энергия в основном зависит от мощности и скорости, при этом большая мощность и высокая скорость требуют больше энергии.

В идеале, чтобы сбалансировать качество и эффективность, скорость сварки должна быть увеличена настолько, насколько это возможно. Однако слишком быстрая сварка может привести к нестабильности и быть ограничена мощностью лазера и свойства материала. Поэтому обычно стараются найти баланс между мощностью и скоростью.

Анализ процесса сварки алюминиевых пластин

В данном испытании диаметр сердцевины оптического волокна составлял 100 мкм. Для сварки высокоотражающих и теплопоглощающих материалов, таких как алюминий и медь, требуется более высокая плотность мощности для плавления. В этом случае необходима сварка с нулевым фокусом.

Сварка с нулевым фокусом обеспечивает максимальную плотность мощности при минимальной мощности, что делает ее идеальной для сварки небольших деталей и плавления металла с образованием расплавленной ванны. В таблице 3 приведены параметры процесса сварки для различных материалов.

Таблица 3 Сравнение параметров процесса сварки различных материалов

Данные испытаний показывают, что при неизменных других параметрах идеальный сварочный эффект для алюминиевого сплава 3-й серии требует более низкой скорости сварки по сравнению с углеродистой сталью Q235, поскольку требуется больше тепла.

Анализ процесса выдувания белой нержавеющей стали

В таблице 4 представлено сравнение параметров процесса отбеливания для сварка нержавеющей стали швы толщиной 1,5 мм. Сравнение эффекта сварки показано на рисунке 4.

Параметры сварки трех швов на рисунке 4 (слева направо) соответствуют порядковым номерам 1, 2 и 3 в таблице 4, соответственно.

Рис. 4 Сравнение эффекта сварки

Таблица 4 Сравнение параметров процесса отбеливания сварного шва нержавеющей стали

Чтобы получить отбеленную поверхность нержавеющей стали, необходимо быстро охладить и кристаллизовать металл в атмосфере защитного газа после лазерной плавки. Если мощность слишком высока, большое количество тепла будет удерживаться в металлической пластине, что приведет к медленному охлаждению и повышенному риску окисления и обесцвечивания. Если мощность слишком низкая, металл может расплавиться не полностью.

Слишком высокая скорость может привести к тому, что выдувной инструмент окажется недостаточным, что повлияет на эффект выдувания. Слишком медленная скорость приведет к чрезмерному накоплению тепла. Чтобы добиться отбеленной поверхности, важно найти баланс между мощностью, скоростью и обдувом.

Если не удается добиться отбеленной поверхности за одну попытку, можно сварить один слой на несколько большей мощности, а затем уменьшить мощность для второго слоя.

Заключение

В процессе лазерной сварки, чтобы обеспечить высокуюкачественная сварка результатов, важно учитывать целый ряд факторов, включая свойства материала, мощность лазера, скорость сварки, положение фокуса, защитный газ и сварочный зазор.

Для широко используемых материалов, таких как углеродистая сталь, нержавеющая сталь и алюминиевые листы, исходные параметры испытаний, упомянутые ранее, могут использоваться в качестве эталона, а затем корректироваться в соответствии с конкретными характеристиками материала и требованиями заказчика для достижения желаемого эффекта сварки.