Сфери застосування лазерного зварювання металів
Метали допомогою лазерного зварювання з'єднуються в основному тоді, коли інші способи з'єднання даремні або проблематичні. Устаткування для лазерного з'єднання коштує досить недешево, тому купувати його потрібно, тільки коли ви переконаєтеся в тому, що роботу не можна буде зробити іншими методами.
Отже, сфери застосування такі:
- виробництво приладів та інших точних механізмів;
- виробництво складних виробів на основі легкоплавких металів;
- виготовлення деталей з чавуну;
- виготовлення пластмасових виробів.
Така технологія в промисловості почали застосовувати всього близько 20 років тому, і якщо є можливість, то можна купити верстати для тільки стаціонарного типу, але і ручні для зварювання в домашніх умовах.
Плюси і мінуси
Лазерне з'єднання металів має свої плюси і мінуси. Що стосується переваг, то вони наступні:
- площа металу нагрівається незначно, що сильно скорочує його викривлення під час роботи;
- лазерний промінь передається по волоконної оптики, завдяки чому він попадається навіть у важкодоступні місця;
- лазерне обладнання можна використовувати не тільки для зварювання металу, але і його різання;
- воно забезпечує високу якість зварних швів;
- процес зварювання забезпечує гарну продуктивність, його легко контролювати.
Але має технологія і свої недоліки:
- обладнання дуже дороге;
- зварювальний апарат має низький ККД;
- оператор установки повинен мати високу кваліфікацію.
Але, незважаючи на недоліки, лазер - це єдиний варіант для забезпечення точної зварювальної операції або з'єднання легкоплавких матеріалів.
види зварювання
Лазерне зварювання буває двох видів:
Стикова - в цьому випадку не використовують присадки і флюс. Між металами допускається мінімальний стик, що не більше 0, 2 мм. Таке ж значення є максимальним для фокусування лазерного променя на стик. Зварювання проводять за допомогою «кинжального» проплавления металу на всю товщину з інтенсивністю лазерного випромінювання до 1 мВт / см2. Шов в цьому випадку потрібно оберігати від окислення аргоном або азотом, а гелій захистить його від пробою лазерного випромінювання;- Нахлесточного - металеві листи накладаються один на одного, вони з'єднуються за допомогою потужного випромінювання. Сварка проводиться з локальним притиском деталей. Максимально допустимий зазор між поверхнями металів при роботі - 0, 2 мм. У разі необхідності підвищення якості деталей, що з'єднуються використовується подвійний шов.
типи лазерів
При зварюванні металів застосовують лазери двох типів:
- твердотільні;
- газові.
Той чи інший тип лазера підбирається в залежності від мети використання обладнання.
твердотільний
В даному випадку активним тілом виступає рубіновий стрижень зі склом і домішкою неодиму або ж алюмо-ітрієві граната, який легирован неодимом або ітербієм. Стрижень розташовується в освітлювальної камері. Щоб порушити атоми активного тіла, застосовують лампу накачування, яка створює потужні світлові спалахи.
На торцях активного тіла знаходяться два дзеркала:
- частково прозоре;
- відбиває.
Лазерний промінь буде виходити крізь частково прозоре дзеркало, заздалегідь воно багаторазово відбивається в рубіновому стрижні і посилюється. Твердотільні лазери не надто потужні, їх потужність складає від 1 до 6 кВт.
За допомогою даних лазерів зварюються тільки дрібні і не товсті деталі, найчастіше - це об'єкти мікроелектроніки, наприклад, тонкі дротяні висновки з діаметром 0, 01-0, 1 мм на основі ніхрому, золота або танталу. Допускається і точкове зварювання виробів на основі фольги з діаметром точки порядку 0, 5-0, 9 мм. Таким же способом виконується герметичний катодний шов на кинескопах сучасних телевізорів.
Катод - це трубка з довжиною в 2 мм, діаметром 1, 8 мм і товщиною стінки 0, 04 мм. До такої трубці приварюють дно товщиною в 0, 12 мм на основі хромонікелевого сплаву. Такі дрібні вироби варять завдяки високому ступеню фокусування променя, а також точної дозуванні енергії за допомогою регулювання тривалості імпульсу в певних рамках.
газовий
Газові лазери - більш потужні, активним тілом в них виступає газова суміш. Газ прокачується з балонів за допомогою насоса за допомогою газорозрядної труби. Енергетичне збудження газу відбувається за рахунок електричного розряду між електродами. По торцях газорозрядної труби знаходяться дзеркала. Електроди підключають до джерела живлення, а сам лазер охолоджується за допомогою водяної системи.
Основний мінус обладнання з поздовжньою прокачуванням газу - це його габарити. А ось лазери з поперечної прокачуванням газу більш компактні. Загальна потужність може становити від 20 кВт і більше, завдяки чому можна з'єднувати метали з товщиною до 20 мм на великій швидкості - близько 60 м / ч.
Найпотужніші конструкції - газодинамічні. У них для роботи застосовують гази, які нагріваються до температури від 1000 до 3000 К. Газ в них швидко закінчується через сопло Лавлі, в результаті відбувається адіабатичне розширення, а потім газ охолоджується в зоні резонатора. При охолодженні порушені молекули переходять на більш низький енергетичний рівень, при цьому випускається когерентне випромінювання. Накачування може відбуватися із застосуванням іншого лазера або інших потужних енергетичних джерел. Потужні конструкції дозволяють зварювати на швидкості близько 200 м / год сталі товщиною в 35 мм.
Сварка за допомогою лазера здійснюється в атмосферних умовах, вакуум створювати не потрібно, потрібно при цьому захищати від повітря розплавлений метал. Зазвичай використовуються гази, наприклад, аргон. Процес характеризується тим, що через високу теплової потужності променя на поверхні виробу, що зварюється метал інтенсивно випаровується. Пари ионизируются, внаслідок чого промінь розсіюється і екранізується.
Тому в умовах застосування потужного устаткування в зону зварювання, крім захисного газу, також подають і плазмоподавляющій газ. Їм зазвичай виступає гелій, який набагато легше аргону і не буде розсіювати промінь. Щоб спростити процес потрібно, використовувати спеціальні газові суміші, що володіють плазмоподавляющей і захисною функцією. В такому випадку пальник повинен подавати газ так, щоб він міг здувати іонізований пар.
Під час роботи промінь повільно поглиблюється в деталь і відтісняє рідкий метал зварювальної ванни на задню стінку кратера. Це забезпечує «кинджальний» проплавление за умови великої глибини і малої ширині шва.
Велика концентрація енергії в промені дозволяє досягти високої швидкості роботи, а також забезпечує хороший термічний цикл і високу міцність металу шва.
Верстати для зварювання лазером
Для даного виду зварювальних робіт застосовується обладнання як мобільного, так і компактного типу, також може використовуватися повнорозмірне обладнання для з'єднання великогабаритних деталей.
Часто в промислових цілях використовують такі моделі верстатів, як:
- ЛАТ-С - він застосовується для самої лазерного зварювання, а також наплавлення металів. Володіє високою потужністю, завдяки чому можна добитися високих показників в плані продуктивності. Може бути оснащений автоматичними координатними столами, завдяки чому можна обробляти складні конструкції на високій швидкості. Верстат включає в себе два модулі. У першому знаходиться джерело живлення і пристрій для охолодження лазера, а другий модуль - це такий рухливий каркас, де знаходиться лазерний випромінювач. Два модуля легко рухаються завдяки наявності коліс в підставі. Для стаціонарної роботи з верстатом нерухомість забезпечується за рахунок спеціального механічного блокіратора;
- МУЛ-1 - цей верстат малогабаритний, використовується для лазерного зварювання і наплавлення металів. Також з його допомогою можна паяти золото і срібло. Варити ювелірні вироби даними верстатом можна легко і з дотриманням високої точності. Часто обладнання використовують для ремонту і виробництва ювелірних виробів. Металеві частини невеликого розміру можна зварити без сильного нагріву, допускається навіть з'єднання оправ для окулярів. Пристрій зручне тим, що для роботи достатньо напруги в 220 В. В залежності від обраного режиму, потужність приладу складає від 1, 9 до 2, 5 кВт;
- ЛАТ-400 - застосовується для з'єднання великогабаритних виробів. Система включає в себе потужний твердотілих лазер, пристрій харчування і охолодження. Лазер має високу потужність і продуктивністю, завдяки чому навіть складні роботи можна здійснювати на високій швидкості. Устаткування підключається за рахунок трифазної мережі в 380 В. При піковому навантаженні потужність апарату становить близько 13 кВт. Установка оснащена механізованої системою, яка приводиться в рух за рахунок двигуна постійного струму. Це дозволяє легко пересувати лазерну головку в трьох площинах.
Ручна лазерне зварювання проводиться із застосуванням таких апаратів:
- WELD-WF - портативний пристрій, завдяки якому можна виконувати роботи навіть в важкодоступних місцях. Воно включає в себе маніпулятор, що сполучається з волокном. Сгенерированное лазерне випромінювання передається по волокну. Оскільки є наявність зворотного зв'язку, за допомогою апарату можна отримати максимально якісний шов у порівнянні з обладнанням, в якому немає подібних опцій. Апарат має потужність всього 1, 5 кВт і працює від мережі в 220 В. Він підходить для різних ремонтних робіт, коли виконати демонтаж складно або вимагає багато часу;
- CLW120 - ручний апарат з невисокою потужністю, який відмінно підходить для робіт, що вимагають ювелірної точності, а також точкової лазерного зварювання. Крім цього, з його допомогою можна з'єднувати кольорові і чорні метали, нержавіючу сталь або ж титанові сплави. Потужність обладнання - 10 кВт, вимоги до мережі - 220 В.
Майже всі перераховані апарати оснащені бинокуляром, який захищає зір від негативного впливу лазерного променя і разом з тим допомагає в кілька разів збільшити об'єкт обробки, щоб робота була виконана якісно і точно.