В девяностых годах прошлого века и первой половине нынешнего десятилетия технология лазерной сварки претерпела достаточно динамичное развитие - отчасти за счет разработки более мощных и новых типов лазеров, отчасти также за счет более широкого применения новых современных материалов, трудно свариваемых другими методами. В значительной степени это развитие было вызвано также растущими требованиями к повышению производительности производства и повторяемости технологического процесса.
Основным преимуществом лазерной сварки по сравнению с классическими методами является качество сварного шва, большая глубина проплавления, значительно меньшая зона термического влияния, высокая производительность, более легкая автоматизация и, не в последнюю очередь, внешний вид поверхности. Благодаря всем этим преимуществам лазерная сварка стала привычной даже для конструкторов, предписывающих ее на сборочных чертежах, и, помимо сварки металлов, все чаще применяется для сварки пластмасс и специальных материалов.
Принципы лазерной сварки
При теплопроводной сварке материал плавится за счет поглощения и передачи тепла, выделяемого лазерным лучом. Эта процедура позволяет производить сварку только на небольшую глубину. Увеличивая удельную мощность, мы достигаем критического значения (эмпирически от 1 до 5 х 10 6 Вт/см 2 ).), при котором материал начинает испаряться, генерируется плазма и начинает происходить глубокое вскипание. Лазерный луч создает "капилляр", диаметр которого в 1,5-2 раза больше диаметра фокуса. Замыканию этого капилляра препятствует давление газов. Затем энергия стенок капилляра проникает в расплава и окружающего твердого материала.С помощью глубокой сварки можно повысить эффективность процесса сварки, и его стабильность зависит от свариваемого материала, поляризации, длины волны лазера, скорости подачи и многих других факторов.
Типы используемых лазеров
За последние пять лет или около того распределение отдельных типов лазеров существенно изменилось. Хотя CO 2 -лазеры и лазеры Nd:YAG (как импульсные, так и непрерывные) все еще используются для сварки , или так называемые дисковые лазеры, которые в основном являются разновидностью лазеров Nd:YAG. Диодные лазеры также играют относительно важную роль в сварке, в основном при сварке пластмасс. Более мощные диодные лазеры (порядка нескольких киловатт) в основном используются для поверхностной закалки и сварки. Около 10 лет назад лазеры Nd:YAG использовались в 75% промышленных сварочных работ. Однако в последние несколько лет эта ситуация меняется, и волоконные лазеры все чаще используются во многих приложениях.
Волоконные лазеры
Большим преимуществом волоконных лазеров является их значительно более высокая эффективность, т.е. значительно меньшее потребление электроэнергии, меньшие требования к контуру охлаждения и значительно меньшие габариты помещения. Разумеется, все эти факты приводят к резкому снижению эксплуатационных расходов. На рис. 2 показана типичная схема мощного волоконного лазера. Мощность возбуждающих лазерных диодов напрямую поступает в активное волокно резонатора.
Это тип лазера, который генерирует излучение с длиной волны около 1,06 мм, что, следовательно, идентично длине волны Nd: YAG-лазеров. Однако вынужденное излучение возникает внутри оптического волокна, легированного редкоземельными элементами. В результате такой резонатор значительно более термически стабилен и имеет меньшие размеры. Подобные генераторы имеют ряд преимуществ по сравнению с классическими системами: отличное качество луча, компактность, низкое энергопотребление и, естественно, отсутствие необходимости в дополнительной оптике для подключения выхода к волокну. Проверенные и полностью функциональные системы мощностью до 50 кВт уже сегодня широко доступны. При этом размер автомата сравним с автоматом по продаже холодных напитков.
Сварочный лазер YLR 2000
3 показан пример мощного лазера для сварки мощностью 20 кВт типа YLR 20000 фирмы IPG Photonics, которая представлена в Чехии фирмой LAO próveny systémy, s.r.o. Основные параметры лазера: : выходная мощность 20 кВт, диаметр волокна 200 мкм, план этажа 1480 x 806 мм, потребляемая мощность 70 кВт, КПД 30%, вес 1200 кг. Как показано на фотографии, выходной луч подается в оптическое волокно с помощью «разделительных» блоков, а затем несколько волокон могут быть направлены на разные рабочие станции, а мощность лазера переключается или распределяется между ними.
Это сварка нержавеющей стали 1.4301. Как видите, при сварке с двух сторон можно добиться глубины провара до 50 мм. На этих рисунках показаны приложения с достигнутым верхним уровнем производительности. Однако волоконные лазеры успешно применяются в целом ряде толщин и используемых материалов. Они также все чаще используются при микросварке и сварке «нормальных» толщин.Это также связано с относительно широким диапазоном мощностей аппаратов, от единиц ватт до десятков киловатт.На рис.5 показаны участки микросварок для разных материалов.
Бесспорно, что лазерная сварка прочно обосновалась в развитых индустриальных странах, и отрадно, что в Чехии она находит свой путь не только к технологам, но и к самим конструкторам. Во многих случаях необходимо разработать соответствующий сварной шов с учетом использования лазера уже во время фактического проектирования продукта.
Есть много других аспектов, влияющих на качество сварного шва. Мощность лазера и скорость сварки имеют основополагающее значение, но значительную роль также играют оптика, используемая в сварочной головке (фокусное расстояние), количество и тип вспомогательного (инертного) газа, качество лазерного луча и т. д. Тем не менее , лазер является очень эффективным и незаменимым инструментом во многих промышленных приложениях.
