Лазерная сварка – как это работает, области применения, плюсы и минусы
Сварка давно зарекомендовала себя как критический процесс в области производства. Сварка, обычно используемая для соединения двух частей одного и того же материала, используется для создания конструкций, которые слишком сложны, чтобы их можно было выполнить в виде цельной конструкции.
Использование лазеров — относительно новый способ сварки. Хотя концепция осталась прежней — использование тепла для соединения двух материалов, способ передачи тепла лазерами совершенно уникален. Хотя лазерная сварка существует уже несколько десятилетий, использование этой технологии началось только недавно из-за перехода к автоматизированным производственным процессам.
Что такое лазерная сварка и как она работает?
Проще говоря, лазерная сварка — это процесс, в котором лазеры используются для расплавления материала на поверхности заготовки, что позволяет соединить ее с другой заготовкой из того же материала. Лазерная сварка обычно выполняется либо для металлов, либо для термопластов. Для сварки также использовались различные типы лазеров, в настоящее время широко используются более старые приложения, использующие твердотельные (например, Nd: YAG) или газовые лазеры (например, CO2-лазеры).
Лазер — это просто высококонцентрированный луч света, который излучает огромное количество энергии. Высокая плотность мощности лазеров позволяет им плавить материал заготовки контролируемым образом. Подвергая материал воздействию мощного лазерного луча, молекулы на его поверхности получают достаточно энергии, чтобы возбуждаться и приобретать свойства жидкости.
Когда возбужденные молекулы одного и того же материала вступают в контакт и одновременно переходят в более низкие состояния возбуждения, они снова становятся твердыми и образуют связь на молекулярном уровне.
Лазерная сварка (как и другие лазерные технологии) использовалась почти исключительно в лабораториях и исследовательских институтах примерно до конца 1990-х годов. В это время концепция аддитивного производства, особенно 3D-печати, начала набирать популярность.
Хотя технология 3D-печати с использованием пластиковых смол или нитей уже была разработана, было не так много жизнеспособных способов применения эквивалентного процесса к металлам. Затем появилась лазерная сварка, позволяющая быстро и с высокой степенью автоматизации соединять порошкообразный металл в качестве исходного материала. Популярность 3D-печати также способствовала развитию лазерной сварки, что дало этой ранее экспериментальной технологии нишу в современном производственном мире.
Плюсы и минусы лазерной сварки
Рассматривая преимущества и недостатки технологии лазерной сварки, целесообразнее сравнить ее с традиционными методами сварки, в которых используется газовое пламя или электрическая дуга. В конце концов, эти классические методы сварки по-прежнему используются наиболее часто, и, вероятно, им придется противостоять лазерной сварке.
Идеально подходит для автоматизации
Первое, что делает переход на лазерную сварку стоящим, это то, что она идеально вписывается в автоматизированный производственный процесс. Хотя лазерная сварка приобрела популярность в 3D-печати, теперь она также стала полезной для автоматизированных версий более традиционных приложений сварки.
Автоматизация процесса сварки дает производителю множество преимуществ. Это снижает потребность в ручных операциях, что приводит к повышению точности и стабильного качества продукции. Автоматизированные системы также намного быстрее, чем сварщики, выполняющие работу, что имеет решающее значение для крупных производств.
Совместимость с широким спектром материалов
При традиционной сварке с использованием пламени или электрической дуги переход от одного материала к другому включает изменение температуры пламени в зависимости от интенсивности электрической дуги. Лазеры работают примерно так же, поскольку их интенсивность можно регулировать, чтобы они подходили для различных материалов. Основное преимущество лазеров в этом контексте заключается в том, что они могут иметь предварительно заданные параметры для различных материалов, что делает переналадку намного более плавной.
Высокая плотность мощности лазеров делает их пригодными для сварки материалов, которые были бы сложными для других методов сварки. Список материалов, которые можно сваривать с помощью лазера, длинный и включает сверхпрочные металлы, такие как титан и углеродистая сталь. Что касается удельной мощности, то единственной технологией, которая может дополнить лазерную сварку, является электронно-лучевая сварка.
Очень высокие скорости нагрева
Еще одним преимуществом высокой плотности мощности лазера является то, что он плавит материал намного быстрее, чем пламя или электрическая дуга. Это позволяет увеличить скорость сварки и создать более прочные сварные швы. Глубину проплавления при лазерной сварке можно контролировать, регулируя мощность, подаваемую на лазер. Для очень тонких материалов вместо этого можно использовать импульсы лазера, чтобы предотвратить повреждение как материала, так и машины.
Может сваривать соединения со сложной геометрией
Уникальной чертой лазерной сварки является то, что она может работать на расстоянии. Наконечнику лазера не нужно находиться близко к материалу, чтобы обеспечить мощность, необходимую для сварки. Это дает больше возможностей для манипулирования заготовкой, делая возможной сварку соединений со сложной геометрией.
Повышенная безопасность
Лазерные сварочные аппараты обычно полностью автоматизированы и имеют закрытые рабочие помещения. Это означает, что персоналу больше не нужно подвергаться воздействию высокой температуры и частиц, образующихся во время сварки. Даже по одному этому достоинству лазерный сварочный аппарат уже является выгодным вложением. Следует рассмотреть любую технологию, которая повышает безопасность на рабочем месте и защищает персонал от ненужных опасностей.
Металлы могут треснуть из-за быстрого охлаждения
Все, что быстро нагревается, также быстро и остывает. Это также относится к лазерной сварке. Локальная подача энергии через лазеры означает, что соединения свариваются довольно быстро. Однако это также означает, что тепло в швах так же быстро рассеивается через материал.
Это вызывает огромное накопление теплового напряжения, с которым не все материалы могут справиться без повреждения. Углеродистая сталь является классическим примером металла, который имеет тенденцию становиться хрупким и трескаться при слишком быстром охлаждении.
Высокие требования к капиталу
Это, вероятно, самое большое препятствие, которое стоит между этой технологией и более широким распространением — лазерные сварочные аппараты дороги. Это еще более бросается в глаза по сравнению со старыми методами сварки, в которых используется газовое пламя или электрическая дуга.
Сварка часто рассматривается как работа «синих воротничков», требующая квалифицированного сварщика, но не обязательно требующая дорогостоящего оборудования. Лазерная сварка переворачивает всю эту картину с ног на голову – оборудование дорогое, а его работа не требует особых навыков.
Применение лазерной сварки
Во многих отношениях лазерная сварка подходит практически для любого применения стандартной, старомодной сварки. Учитывая, как давно сварка стала производственным процессом, определить области применения лазерной сварки не так уж и сложно.
Лазерная сварка оказалась особенно полезной в тяжелой или крупносерийной обрабатывающей промышленности. Это отрасли, которые получат наибольшую выгоду от увеличения скорости и точности технологии лазерной сварки.
судостроение
Судостроение — одна из самых требовательных отраслей для любого процесса, включая сварку. Замена лазерной сварки традиционными методами сварки может сделать строительство стальных или металлических конструкций на кораблях более быстрым и прочным. Низкое искажение локального нагрева при лазерной сварке также облегчает изготовление высокоточных деталей с точными размерами.
Автомобильная индустрия
Когда дело доходит до автомобильной промышленности, скорость и качество, вероятно, являются двумя наиболее важными факторами, которые следует учитывать. К счастью, лазерная сварка преуспевает в обоих случаях. Работа лазерных сварочных аппаратов без инструментов означает сокращение времени простоя для регулярного технического обслуживания и смены инструмента.
Производство инструмента
В области производства инструментов универсальность лазерной сварки играет решающую роль. Независимо от того, создаются ли инструменты с помощью субтрактивного или аддитивного производства. Лазерная сварка часто используется для соединения отдельных элементов и достижения заданного форм-фактора инструмента. Гибкость лазерной сварки в том, что касается геометрии соединения, делает ее идеальной для отрасли, производящей разнообразную продукцию.
Это только три из, возможно, сотен других различных применений лазерной сварки. Любой тип использования традиционной сварки на месте, вероятно, выиграет от перехода на лазерный сварочный аппарат.
Существуют даже «портативные» лазерные сварочные аппараты, использующие технологию волоконного лазера, хотя портативность таких аппаратов все еще вызывает сомнения. Лазерам требуется много энергии, и этот огромный источник энергии составляет большую часть этих «карманных» машин. Это, пожалуй, единственное отделение, где старомодная сварка до сих пор побеждает лазерную, так как аппараты для электродуговой сварки очень легкие и удобные.
Итоги
Во многих отношениях лазерная сварка кажется разумным следующим уровнем эволюции по сравнению с традиционными методами сварки, такими как газовое пламя и электрическая дуга. Оборудование немного дороже, но лазерная сварка, несомненно, энергоэффективнее, быстрее и точнее. Что еще более важно, лазерные сварочные аппараты предназначены для автоматической работы, что является важнейшим элементом современного производства.
Мобильность остается основной проблемой технологии лазерной сварки, особенно при удаленных строительных или ремонтных работах. Тем не менее, нет непреодолимых препятствий, особенно если существует промышленный и коммерческий спрос на эту технологию.
Раскрытие информации: 3D Insider является участником партнерской программы Amazon. Мы можем зарабатывать деньги на ваших кликах без каких-либо дополнительных затрат для вас. Мы также являемся филиалами многих других программ. Исходящие клики могут приносить деньги сайту. Мы можем получить компенсацию и другими способами. Пожалуйста ознакомьтесь с нашей политикой конфиденциальности.
Мне нравится погружаться в новейшие и лучшие из развивающихся технологий и смотреть, на что они способны. Мне нравится бегать, когда я не думаю о технике.
Лазерная сварка: типы, преимущества и области применения
Лазерная сварка (усиление света за счет стимулированного излучения) является одной из наиболее технически совершенных форм сварки. Его приложения охватывают самые разные отрасли, от аэрокосмической до ювелирного производства.
Однако существует несколько видов сварки, которые использовались задолго до лазерной сварки, поэтому возникает вопрос, зачем нам лазерная технология, когда у нас есть другие альтернативы?
Мы углубимся в это после краткого рассмотрения создания технологии. Эйнштейн предсказал вынужденное излучение, которое является основным принципом работы лазера.
Однако только в 1967 году мы впервые использовали лазер для сварки и резки. В лазере, использовавшемся в экспериментах 1967 года, использовался кислородсодержащий газ с концентрированным лучом CO2-лазера.
Проект возглавил доктор Питер Хоулдкрофт. Эксперимент и его детали были объяснены в статье ABJ Sullivan и PT Houldcroft под названием «Газоструйная лазерная резка».
Лазерная резка стала основой для лазерной сварки, поскольку она включает плавление металла без его пробивки.
Процесс лазерной сварки
Лазерная сварка использует высококонцентрированный луч света в очень маленьком пятне, так что область под лазерным лучом поглощает свет и становится очень энергичной. При использовании мощных лазерных лучей электроны в этой области возбуждаются до такой степени, что материал плавится в результате разрыва атомами связей друг с другом.
Лазерная сварка также может использоваться для соединения пластмасс.
Это плавление двух материалов на их швах сплавляет их в соединение. Удивительно, как свет может быть достаточно мощным, чтобы металлизировать металлы за миллисекунды. Для получения таких мощных лазерных лучей в аппарате для лазерной сварки используется несколько частей, которые направляют и усиливают лазер.
Газовые лазеры, твердотельные лазеры и волоконные лазеры являются тремя наиболее распространенными лазерами, используемыми в лазерных сварочных аппаратах.
Обычно лазерный луч подается на лазерный сварочный аппарат с помощью оптических волокон. Есть машины для сварки одиночных волокон и есть машины для сварки нескольких волокон. Многоволоконные сварочные аппараты имеют лазер, подключенный к каждому волокну, с каждым волокном увеличивается сила лазера.
Для концентрации луча в точке до того, как он покинет машину, часто используется коллиматорная линза в сочетании с фокусирующей линзой.
С помощью лазерной сварки можно выполнить четыре основных сварных соединения:
- стыковой шов
- Присадочный шов внахлестку
- Сварка внахлест
- Краевой фланцевый сварной шов
Использование технологического газа в лазерной сварке
Если вы изучали лазерную сварку, вы, возможно, заметили постоянный спутник лазерного сопла, которое является еще одним соплом, которое подает газ, который называется технологическим газом или газом для резки.
В основном это поток газа, чаще всего CO2, который также направляется к месту сварки с целью предотвращения контакта поверхности сварки с атмосферой.
Без использования режущего газа есть только два варианта сварочной атмосферы: либо нормальная атмосфера, либо вакуум. Лазерная сварка в вакууме, безусловно, возможна, но маловероятна из-за ее высокой стоимости и необходимости специальной установки.
В нормальной атмосфере лазерная сварка без технологического газа может привести к неблагоприятным последствиям. Поскольку азот в воздухе находится в очень высокой концентрации, он может смешиваться с расплавленным металлом и вызывать образование пустот или отверстий в сварном шве. Такие случаи могут привести к разрушению сварных швов.
Такие факторы, как влажность воздуха, могут вызывать выделение водорода при сварке. Диффузия водорода в металл также приводит к непрочным сварным соединениям. Следовательно, лазерная сварка в нормальной атмосфере без защиты вообще не интересна.
Сварочные аппараты поставляются с насадкой для режущего газа, которая подает газ на поверхность сварного шва, гарантируя отсутствие смешивания примесей со сварным швом.
Виды лазерной сварки
Лазерная сварка может быть выполнена двумя способами: сварка теплопроводностью и сварка с замочной скважиной.
Теплопроводная сварка: В этом процессе поверхность металла нагревается выше точки плавления металла, но не до такой степени, чтобы он испарялся. Этот процесс используется для сварных швов, которые не требуют высокой прочности сварного шва.
Преимущество сварки горячим током заключается в том, что окончательный шов будет очень гладким и эстетичным. Лазер малой мощности в диапазоне
Сварка в замочную скважину: При этом лазерный луч нагревает металл таким образом, что контактная поверхность испаряется, проникая глубоко в металл. Это создает замочную скважину, в которой создаются условия, подобные плазме, при температурах, значительно превышающих 10,000 XNUMX К.
