Для неразъемного соединения металлических и неметаллических деталей и поверхностей применяется лазерная сварка. Для такой сварки используются генераторы оптической энергии – лазеры. Сварка с применением лазера имеет целый ряд преимуществ перед обычной сваркой.
Преимущества и недостатки
Преимущества лазерной сварки исходят из свойств используемого в сварочных аппаратах лазера. Основные свойства излучаемого лазером луча – это:
- высокая направленность;
- монохроматичность;
- когерентность.
Благодаря высокой направленности луча, можно создавать высокую концентрацию энергии на определенном участке поверхности. Монохроматичность луча лазера позволяет создавать и использовать эффективные фокусирующие системы, работающие в узком диапазоне частот излучения лазера. Свойство когерентности луча позволяет усиливать его с помощью резонаторов, работающих в режиме резонанса.
Это позволяет создавать на небольшой площадке плотность энергии около 108 Вт/кв. см. Такая плотность энергии позволяет производить сварку металлов.
К недостаткам лазерной сварки можно отнести:
- сложность сварочных аппаратов;
- высокую стоимость станков и аппаратов;
- малый КПД устройств.
Основные виды аппаратов
В зависимости от вида источника световой энергии аппараты для лазерной сварки делятся на два типа – на твердотельном и газовом лазерах.
В твердотельном лазере в качестве рабочего тела используется стержень из рубина, неодимового стекла или алюмо-иттриевого граната с неодимом (Nd:Yag) или иттербием.
Стержень помещается в световую камеру, а для его возбуждения используется импульсная лампа накачки. В результате работы лазер на твердом теле может генерировать мощность в 1-6 кВт. Энергии твердотельного генератора бывает достаточно лишь для сварки мелких деталей, например, для сварки выводов из золота или тантала, сварки катодов кинескопов.
Сварка аппаратами твердотельными лазерами позволяет обеспечивать точную дозировку энергии, в результате чего можно получить качественную сварку при обработке мелких деталей.
В лазерах с газовой накачкой в качестве излучающего тела используется газ, состоящий из смеси углекислого газа, азота и гелия. При прокачке такого газа в камере с помощью электрического разряда происходит возбуждение атомов газа и генерация энергии. Мощность газовых лазеров может превышать 20 кВт. Лучом такой мощности можно сваривать металл толщиной до 20 мм.
Наиболее мощными являются газодинамические лазеры. В таких приборах используется газ, нагретый до 1000-3000°С. Такой газ, перемещаясь в резонатор и охлаждаясь, испускает кванты световой энергии. Накачка генератора может осуществляться с помощью маломощного лазера или другого источника энергии. В результате лазер такого типа может генерировать луч мощностью в 100 кВт, что позволяет сваривать сталь толщиной до 35 мм с большой скоростью.
Лазерная сварка происходит в атмосферных условиях, что требует защиты получаемого шва от воздействия внешней среды. Для этого чаще всего используется газ аргон.
Кроме того, из-за высокой интенсивности луча происходит испарение металла и образование паров. Такая среда рассеивает и экранирует луч лазера. Для предотвращения появления плазмы для мощных лазерных сварочных аппаратов используется защитный газ, например, гелий. Поэтому чаще всего при сварке лазером подается газ, состоящий пополам из аргона и гелия.
Особенностью сварки лазером большой мощности является то, что луч постепенно проникает в глубину детали, оттесняя расплав к задней стенке. Благодаря этому, получается тонкий шов при глубоком проплавлении.
Высокая концентрация энергии позволяет сваривать детали с большой скоростью и обеспечением высокой прочности шва. При этом сокращается зона термического воздействия на материал, а также уменьшаются его сварочные деформации.
Оборудование для сварки лазером включает:
- устройство, генерирующее лазерный луч;
- систему фокусировки луча;
- средство перемещения аппарата (или заготовки).
Установка для сварки может быть стационарной или мобильной. Стационарная установка устанавливается на производстве, и она неподвижна. Мобильная установка перемещается. На практике мобильная установка также довольно тяжелая и чаще всего для перемещения снабжена колесами.
В зависимости от мощности аппараты могут использоваться :
- Для микросварки (глубина проплавления не более 0,1 мм).
- Для минисварки (глубина проплавления от 0,1 мм до 1 мм).
- Для макросварки (глубина проплавления свыше 1 мм).
Аппараты для сварки
Характеристики некоторых аппаратов и станков лазерной сварки приведены в таблице.
| Наименование | Назначение | D, мм | Р, Вт | Рпот, кВт | W, дж | М, кг | Цена, руб. |
| Wizard.100.00, Италия | Для сварки и пайки | 0,2…2 | 65 | — | 0,1…100 | — | 1594000 |
| LaserStar T Plus | Для сварки протезов | 0,3…2,3 | 60 | — | 60 | 55 | 2134000 |
| CSHG300, Германия | Сталь, нержавейка | 0,2…2 | 300 | 8 | — | 350 | 758500 |
| TST-W200XT2 | Углеродистая сталь, нержавейка | 0,2…3 | 200 | 14 | — | — | 1216000 |
| TST-W500L | Рекламные конструкции, сталь, сплавы | 0,2…3 | 500 | 12 | — | 480 | 1475000 |
| BULAT LRS-100, Россия | Сварка, наплавка, сталь, металлы | 0,2…2 | 100 | 5 | 40 | 150 | Цена по запросу |
| LK-GQHW-800, Китай | Нержавейка, AL, сплавы | 0,2…1,8 | 800 | 6 | 180 | 100 | $5000…15000 |
В таблице обозначены:
- D – диаметр пятна луча, мм;
- P – мощность излучения лазера, Вт;
- Pпот – мощность, потребляемая установкой, кВт ;
- W – энергия импульса излучения, джоуль;
- M – масса устройства, кг.
Большая часть находящихся в продаже аппаратов для лазерной сварки в качестве источника излучения используют твердотельный лазер на алюмо-иттриевом гранате с неодимом (Nd:Yag). Длина волны излучения у такого прибора λ=1,06 мкм.
Лазер работает в непрерывно-импульсном режиме. При этом в большинстве аппаратов имеется возможность изменять как длительность импульсов, так и частоту их повторения. Таким образом регулируется плотность энергии, поступающей на место сварки.
Первые два прибора относятся к устройствам микросварки и предназначены для сварки мелких изделий. Например, аппарат LaserStar T Plus используется для сварки металлических каркасов зубных протезов. Такие аппараты имеют сравнительно небольшие размеры и вес. Например, аппарат LaserStar T Plus имеет вес в 55 кг и может быть размещен на столе. Поскольку оператору необходимо работать с мелкими деталями, то такие приборы снабжаются микроскопом с 10-16 кратным увеличением.
Следующие 5 станков имеют большие габариты и веса. Они могут сваривать сталь и другие металлы с глубиной от 0,1 до 2,8 мм.
При этом некоторые станки, такие, как CSHG300 или LK-GQHW-800, имеют специальную переносную головку, к которой по волоконному кабелю подводится излучение. Благодаря этому, оператор имеет возможность осуществлять сварку в труднодоступных местах.
В таблице приведены данные по станку для лазерной сварки LRS, выпускаемому российским ОКБ «Булат». Эта организация выпускает целую линейку станков, имеющие разные характеристики и различное назначение. К сожалению, эта компания по каким-то причинам не сообщает цену на свою продукцию.
На сайте приведены данные на большое количество различных китайских аппаратов для лазерной сварки. В таблице приведены характеристики на производимый компанией Shenzhen Radium Kang Machinery Eguipment аппарат для лазерной сварки типа LK-GQHW-800. Сравнительный анализ говорит о некотором завышении характеристик данного аппарата, использующего стандартный лазер на YAG:Nd, что объяснимо конкурентной борьбой. Для этого аппарата приведены ориентировочные границы цены. Для получения информации о конкретной цене на устройство необходимо обратиться в компанию.
