Применение лазерной сварки неуклонно растет в последние годы, потому что, как и лазерная резка, многие преимущества лазерной обработки признаются и используются для производства лучших продуктов с большей производительностью и более низкой стоимостью. Лазерная сварка универсальна и применима для соединения миниатюрных электронных компонентов или сварки стальных конструкций толщиной более 1 дюйма (25 миллиметров).
Лазерные лучи были применены для сварки вскоре после изобретения лазера. Лазерные лучи использовались для сварки толстых стальных пластин с начала 1970-х годов, когда экспериментальные электроразрядныеCO2-лазеры с выходной мощностью более 10 киловатт (кВт) были доступны на ограниченной основе.Эксперименты по лазерной сварке также проводились со специальным CO2 лазеры, способные к вспышкам в несколько секунд мощностью более 100 кВт и способные проникать до 2 дюймов стали (50 миллиметров). Возможность лазерной сварки конструкционных, судовых и трубных сталей, а также ядерных и аэрокосмических материалов была исследована и продемонстрирована во время этих ранних испытаний.
Теперь доступны лазеры мощностью от сотен Вт до 60 кВт, специально разработанные и изготовленные для производственной эксплуатации.
Поскольку капитальные затраты на лазерное сварочное оборудование относительно высоки, экономическое обоснование должно быть тщательно проанализировано и настойчиво преследоваться в использовании потенциальных преимуществ процесса. Многие преимущества лазерной сварки, такие как высокая скорость, высокая производительность и низкое тепловыделение, аналогичны преимуществам лазерной резки.
Тем не менее, преимущества лазерной сварки иногда должны учитываться при проектировании продукта, если необходимо реализовать максимальные преимущества.В этой статье приводится краткая информация о лазерной сварке, суммируются ключевые преимущества процесса и приводятся несколько примеров применения, где эти преимущества используются. Подробное описание технологии лазерной сварки только на страницах нашего специализированного сайта.
Процесс лазерной сварки
Система. Типичная система лазерной сварки включает в себя генератор лазерного луча, направляющую луч оптику для транспортировки луча на работу и фокусировки его до требуемого размера пятна и плотности мощности, а также рабочее место, содержащее оборудование для обработки заготовок, которое может иметь ручную или автоматическую загрузку и разгрузку.
CO2и Nd:YAG лазеры используются практически для всех промышленных сварочных работ. Длялазеров CO2 оптика направления луча представляет собой индивидуально регулируемые зеркала. Для Nd:YAG лазеров, которые производят свет с более короткой длиной волны и могут быть не такими мощными, как некоторыелазеры CO 2, можно использовать волоконно-оптическую доставку, а также зеркала.
Однаколазер CO2 является единственным, обладающим достаточно высокой выходной мощностью для сварки толстых стальных пластин. Существует несколько типовлазеров CO2, включая медленный и быстрый осевой поток, диффузионное охлаждение и поперечные системы потока, все с определенными преимуществами для конкретных применений.
Лазер поперечного потокаCO2производит самую высокую мощность и является единственным лазером, доступным на сегодняшний день, который продемонстрировал способность сваривать стальную пластину толщиной до 1,5 дюйма (38,1 мм).
Процесс. Наиболее отличительной характеристикой лазерного луча для сварки-по сравнению с дугой, сопротивлением или другими распространенными источниками тепла-является его высокая плотность мощности.
Для большинства промышленных применений лазерной сварки, в которых требуется сварка с замочной скважиной (глубокое проникновение), лазерный луч мощностью несколько кВт фокусируется на поверхность материала с диаметром фокусного пятна приблизительно 0,004 дюйма (0,1 миллиметра) или больше. Это приводит к плотности мощности в диапазоне от 106 до 107 Вт/см2 в фокусе луча, что аналогично сфокусированным электронным лучам для сварки.
При этой плотности мощности давление, создаваемое взаимодействием луча и материала, создает замочную скважину в материале, как показано на рисунке 1. Замочная скважина заполнена паром металла и окружена тонким цилиндром из расплавленного металла. По мере того как относительное движение между осевой линией луча и воркпьесе происходит, расплавленный металл пропускает вокруг от фронта замочной скважины и затвердевает на задней части, формируя сварку лазера.
Плазма, которая может образовываться в результате взаимодействия лазерного луча высокой мощности и паров металла, вытекающих из замочной скважины, подавляется потоком нереактивного или инертного газа. Гелий обычно используется для подавления плазмы (особенно для высокомощнойлазерной сварки CO2), но при низких мощностях другие газы, такие как аргон, могут быть выгодными.
Основные параметры процесса лазерной сварки включают мощность лазера, скорость сварки и фокусирующую оптику. Все эти параметры являются интерактивными. При заданной фокусирующей оптике и толщине материала, а также при условии, что требуются сварные швы с полным проникновением, чем выше мощность, тем быстрее скорость сварки.
Фокусное расстояние оптики влияет на диаметр пятна луча в фокусе. Для данного лазерного луча диаметр фокусного пятна напрямую зависит от фокусного расстояния.
Для оптики с коротким фокусным расстоянием размер фокусного пятна невелик, а плотность мощности высока. Это приводит к узкой зоне плавления при высокой скорости сварки и низкой мощности лазера для сварки тонких материалов.
Однако глубина фокусировки также мала для оптики с коротким фокусным расстоянием, поэтому диаметр луча быстро увеличивается с расстоянием от оптимального положения фокусировки. Небольшая глубина фокусировки приводит к ограничению глубины проникновения или толщины материала, который может быть сварен, а также требует точного поддержания расстояния фокусировки от оптического волокна до заготовки во время сварки.
И наоборот, оптика с большим фокусным расстоянием имеет большую глубину фокусировки, подходящую для сварки толстого материала, но более широкие зоны плавления приводят к большему размеру пятна. Плотность мощности, необходимая для сварки с глубоким проникновением, увеличивается за счет увеличения мощности лазера.
Преимущество оптики с длинным фокусным расстоянием заключается в том, что она более терпима к изменениям рабочего расстояния. Кроме того, поскольку фокусирующая оптика более удалена от точки взаимодействия, она менее восприимчива к загрязнителям дыма или брызг, образующимся в процессе сварки.Из предыдущего обсуждения видно, что выбор подходящей фокусирующей оптики имеет важное значение для достижения оптимальной производительности сварки для каждого отдельного применения.
Как уже упоминалось, источник тепла, обеспечиваемый лазерным лучом, является высококонцентрированным. Большинство преимуществ, предлагаемых процессом лазерной сварки, вытекают из этой функции. Эти преимущества включают высокую производительность, низкое тепловыделение/ низкое искажение, глубокое проникновение, повторяемость и простоту автоматизации.
Эти полезные характеристики кратко обсуждаются в следующих параграфах с некоторыми примерами, иллюстрирующими их применение.