Что такое лазерная сварка 

Что такое лазерная сварка?

Обзор
Лазерная сварка — это высокоточный процесс, обеспечивающий минимальную деформацию по сравнению с традиционными методами сварки. В нем используется высокоэнергетический лазерный луч для соединения металлов и создания прочной металлургической связи. При поглощении энергии лазерного луча поверхностью металла выделяемое тепло расплавляет материал, образуя сварочную ванну, которая вновь затвердевает за миллисекунды.

Принцип лазерной сварки можно представить, сравнив его с использованием увеличительного стекла и солнечного света. Если сфокусировать на поверхности металла достаточно энергии, его можно расплавить или, в некоторых случаях, даже испарить.

Плотность мощности при этом чрезвычайно высока, что создает концентрированный источник тепла с показателями в миллионы ватт на квадратный сантиметр. Для увеличения скорости сварки или обеспечения глубокого провара требуется более высокая мощность лазера. Мощность лазера является одним из основных факторов, определяющих стоимость оборудования.

Лазерная сварка применима к любым материалам, способным плавиться и затвердевать вновь. Это означает, что метод подходит не только для таких металлов, как алюминий, медь и нержавеющая сталь, но и для других материалов, включая некоторые термопласты, стекло и композиты.

Сварка с теплопроводным проплавлением и сварка с образованием «замочной скважины» (глубокое проплавление)

Сварка с теплопроводным проплавлением — это щадящий процесс, при котором лазерный луч медленно расплавляет металл. В ходе этого процесса металл нагревается выше температуры плавления и переходит в жидкое состояние, но не испаряется. Распространение тепла внутри металла происходит относительно равномерно во всех направлениях.

Хотя этот метод отличается меньшей скоростью, он обеспечивает высокое качество соединения практически без образования брызг и дыма.

Сварка с образованием «замочной скважины» (keyhole welding) — это быстрый и интенсивный процесс, при котором металл плавится и испаряется, а луч проникает глубоко в материал. В определенных зонах металл достигает температуры плавления или даже температуры испарения. В результате часть расплавленного металла превращается в газ, что может привести к разбрызгиванию. Распространение тепла внутри металла происходит преимущественно в направлении, перпендикулярном лазерному лучу.
Этот метод подходит для высокопроизводительных линий благодаря своей скорости, однако он сопряжен с риском образования пористости и увеличением размеров зоны термического влияния (ЗТВ).

Сварка разнородных металлов

Лазерная сварка разнородных металлов возможна, хотя и не всегда проста или целесообразна. Различные металлы обладают неодинаковыми температурами плавления, коэффициентами поглощения света и теплопроводностью.

Эксперименты по лазерной сварке токопроводящих шин (busbars) к цилиндрическим и призматическим ячейкам аккумуляторов для электромобилей подтвердили возможность сварки разнородных металлов. В этих случаях мы сваривали алюминий с никелированной медью и алюминий с никелированной сталью.

При лазерной сварке разнородных металлов они не сплавляются в однородную смесь, а соединяются по линии раздела. В результате прочность такого соединения оказывается ниже, чем при сварке однородных металлов.

Для решения этой проблемы существуют два подхода:

• Использование присадочного материала для создания более прочного соединения (аналогично другим методам сварки). В этом случае процесс называют лазерной пайкой, а не лазерной сваркой.

• Использование колебаний лазерного луча (осцилляции) для замедления процесса сплавления разнородных металлов. Этот метод, известный как «лазерный вобблинг» (laser wobbling), требует применения дополнительных оптических компонентов. Лазерный вобблинг также способствует удалению газов, которые в противном случае могли бы вызвать пористость сварного шва.

Регулируемый кольцевой режим

Одним из лучших способов уменьшения разбрызгивания металла является использование так называемого регулируемого кольцевого режима.

Если при обычной лазерной сварке энергия концентрируется в очень малом пятне, то кольцевой режим позволяет гибко управлять распределением энергии.

Кольцевая зона вокруг центрального лазерного пятна может использоваться для предварительного нагрева деталей. Это улучшает контроль над сварочной ванной и, в конечном счете, снижает разбрызгивание.

Для реализации различных кольцевых режимов требуется волоконно-оптический кабель с внешней сердцевиной, способной формировать луч в виде «внешнего кольца».

Когда была изобретена лазерная сварка?

Первые эксперименты по лазерной сварке проводились еще в 1960-х годах — вскоре после того, как Тед Майман создал первый лазер. Однако лишь в 1967 году, после демонстрации возможностей лазерной сварки исследователями из Мемориального института Баттелла (Battelle Memorial Institute), производители начали осознавать истинный потенциал этой технологии для промышленности.

Чтобы понять, почему этот процесс занимает столь важное место в производстве, необходимо вернуться к моменту изобретения самого лазера. Ниже приведены ключевые технологические достижения, определившие развитие и применение лазерной сварки в том виде, в каком мы знаем ее сегодня:

1917 г. — Альберт Эйнштейн открыл явление вынужденного излучения, создав теоретическую базу, необходимую для усиления света и получения лазерного луча.
1957 г. — Гордон Гулд предложил теоретическую концепцию лазера. 1960 г. — Теодор Майман создал первый лазер (рубиновый), открыв тем самым путь к практическому применению лазерных технологий. 1960-е годы — Проведены различные эксперименты, продемонстрировавшие возможность лазерной сварки. 1962 год — Исследователи из компании American Optical Company использовали лазеры на неодимовом стекле (Nd:glass) для сварки стали и титана. 1963 год — Элиас Снитцер продемонстрировал первый волоконный лазер, хотя его выходная мощность и КПД были ниже по сравнению с другими типами лазеров. 1964 год — В лаборатории Bell Labs Джьюсик (Geusic) и его коллеги создали лазер на алюмо-иттриевом гранате с неодимом (Nd:YAG), который отличался более высокой мощностью и эффективностью по сравнению с лазерами на неодимовом стекле. 1967 год — Исследователи из Мемориального института Баттелла (Battelle Memorial Institute) продемонстрировали практическое применение и эффективность лазерной сварки, открыв путь к ее дальнейшему развитию и широкому внедрению. 1970 год — Компания Western Electric впервые применила для сварки CO2-лазеры; они обеспечивали более высокую мощность и обходились дешевле, чем твердотельные лазеры (например, Nd:YAG). 1980-е годы — Саутгемптонский университет (Великобритания) представил волоконные лазеры, отличавшиеся превосходным качеством луча и высоким КПД, а также сниженными затратами на обслуживание и простотой интеграции. 1990-е годы — Лазерные системы начали интегрировать с роботизированными манипуляторами для автоматизации процессов сварки; ранние версии таких систем требовали размещения заготовки в непосредственной близости от источника лазерного излучения. Начало 2000-х годов — Достижения в области технологий волоконных лазеров сделали лазерную сварку экономически выгодной для широкого круга производителей. Усовершенствование сканирующих головок открыло возможности для дистанционной сварки, позволяя точно наводить лазерный луч на расстоянии. 2010-е годы — Системы дистанционной лазерной сварки стали практически применимыми и широко доступными на рынке; они способны передавать лазерную энергию по оптоволоконным кабелям к удаленным заготовкам.
Технология лазерной сварки продолжает развиваться по многим направлениям, включая повышение мощности лазера, совершенствование оптических компонентов, улучшение качества луча, сканирующих головок и систем компьютерного управления.

Какие типы лазеров могут использоваться для сварки?

Волоконные лазеры являются наиболее распространенным типом для сварки, однако могут применяться и другие виды, в том числе синие и зеленые лазеры, CO2-лазеры, лазеры Nd:YAG и диодные лазеры. Рассмотрим различные типы лазеров, чтобы понять особенности их применения в сварке.

Длина волны — ключевой фактор, который необходимо учитывать при выборе типа лазера. Различные металлы по-разному поглощают и отражают излучение с разной длиной волны; эффективное поглощение означает, что для процесса требуется меньшая мощность лазера.
На приведенном ниже графике показаны распространенные металлы и их спектры поглощения при различных длинах волн. Каковы преимущества лазерной сварки?

Лазерная сварка обладает рядом преимуществ по сравнению с такими методами, как MIG, TIG и дуговая сварка. Рассмотрим некоторые из наиболее значимых.

Меньшая зона термического влияния (ЗТВ). Энергия лазерного луча концентрируется на очень малом участке и перемещается с высокой скоростью. Такая точность и управляемость гарантируют нагрев только необходимых зон, предотвращая нежелательное тепловое воздействие.

Детали лучше сохраняют свои механические свойства. Низкий уровень теплового воздействия приводит к меньшим термическим деформациям и короблению деталей. При использовании других методов сварки избыточное тепло может ухудшить механические свойства и часто требует последующей правки — операции, которая не нужна при лазерной сварке.

Инженеры могут проектировать более легкие детали. При использовании других методов сварки конструкторы часто компенсируют избыточный нагрев, увеличивая толщину материала деталей. Поскольку лазерная сварка минимизирует нагрев, можно использовать более тонкие материалы, что помогает снизить вес изделия и затраты на сырье. Это критически важно для производителей в аэрокосмической и автомобильной отраслях, где снижение веса транспортного средства является ключевой задачей для увеличения запаса хода.

Высокая точность позволяет сваривать миниатюрные компоненты. Это особенно важно для электронных компонентов, контактных соединений и аналогичных изделий.

Лазерная сварка выполняется быстрее других процессов. Благодаря технологии волоконных лазеров промышленные установки легко достигают мощности в несколько киловатт, отвечая самым строгим производственным требованиям.

Превосходное качество сварного шва — прямой результат более точного контроля процесса. Быстрый нагрев и охлаждение материала во время сварки помогают избежать проблем с качеством. Например, снижается риск водородного охрупчивания (процесса, при котором проникновение водорода приводит к механическому повреждению металла): высокая скорость процесса оставляет минимум времени для поглощения и диффузии водорода.

Лазерная сварка легко поддается автоматизации благодаря возможности дистанционного выполнения работ, минимальному износу оборудования и высокой повторяемости результатов. Это делает технологию привлекательной для производителей, сталкивающихся с нехваткой квалифицированных сварщиков.

Каковы недостатки лазерной сварки? Важнейшим аспектом является безопасность при работе с лазером. Лазерные лучи и их отражения могут вызвать повреждение глаз и ожоги кожи, а также стать причиной пожара. В идеале лазерная установка должна быть помещена в защитный кожух класса 1, предотвращающий выход луча и его отражений за пределы рабочей зоны.

Однако в ряде случаев это может быть затруднительно. Крупногабаритные компоненты и конструкции — например, корпуса судов — сложно полностью изолировать таким образом. Для локализации пучка можно рассмотреть решения, отличные от использования полностью закрытых корпусов (например, применение зажимных приспособлений для перекрытия пучка).