29.01.2009
Лазерная сварка: преимущества, спектр применений, оборудование. Ч. 3
Лазерная сварка:
преимущества, спектр применений, оборудование для лазерной сварки
(опубликовано в журнале "Металообработка и станкостроение", № 11, январь 2009, www.metstank.ru)
Лазерная сварка обеспечивает высокопроизводительный процесс соединения различных материалов толщиной от нескольких микрометров до десятков миллиметров в широком диапазоне режимов. За счет целого ряда технологических преимуществ лазерная сварка эффективно применяется в мировой промышленности во всех отраслях – от производства электронных компонент до сварки деталей обшивки самолетов, позволяя выходить на принципиально новый уровень, создавать компоненты нового поколения, а также эффективно заменять другие методы сварки.
Основные преимущества лазерной сварки:
- Высокая производительность процесса, характерные скорости сварки могут достигать 200-400 м/час, а при использовании лазернодуговой технологии и до 2000 м/час.
- Зона термического влияния ограничена площадью лазерного пятна, скорости нагрева и охлаждения высоки, что обеспечивает высокую технологическую прочность и пластичность сварных соединений, минимальные деформации и остаточные напряжения.
Например, лазерная сварка вилки с карданным валом автомобиля по сравнению с дуговой сваркой увеличивает срок службы карданной передачи в три раза, потому что более чем вдвое уменьшается площадь сечения сварного шва, в несколько раз - время сварки. Деформации вилки, вызывающие преждевременный износ, практически отсутствуют.
- Широкий спектр свариваемый материалов: от высоколегированных высокоуглеродистых марок стали до сплавов меди и титана, керамики и стекла; возможность сварки разнородных материалов (например, вольфрам с алюминием, медь со сталью, бериллиевая бронза с др. сплавами).
- Хорошая управляемость и гибкость процесса, перемещение луча по поверхности детали по любой траектории, возможность полной автоматизации.
- В сравнении с другими методами – невысокая стоимость и простота модернизации станков.
- Процесс, в отличие от электронно-дуговой и аргоновой, не требует вакуумной камеры, на луч не влияют магнитные поля, что обеспечивает стабильное формирование шва.
Лазерный луч управляется с помощью зеркальных оптических систем или оптических световодов и легко транспортируется в труднодоступные места. Таким образом, становится возможной, сварка крупногабаритных конструкций, проведение сварки через прозрачные материалы, в жидких средах.
- Экологическая чистота процесса, определяется, в частности, отсутствием флюсов и других сварочных материалов.
Оборудование для лазерной сварки: типы и применения.
В настоящее время для лазерной сварки используются установки с различными типами лазеров разной мощности. Наибольшее распространение в области сварки получили станки на базе СО2 лазеров, импульсных твердотельных с ламповой накачкой и в последнее время набирают обороты волоконные лазеры. В данной статье мы будем подразделять системы на мощные – от 1 кВт и станки на лазерах до 500 Вт.
Системы на лазерах мощностью от 1 кВт.
Использование таких станков во многом связано с отраслями крупного массового производства – самолетостроением, автомобилестроением. Здесь, часто требуется сваривать достаточно крупные конструкции на большую глубину.
Использование лазерных технологий в самолетостроении, в частности в изготовлении фюзеляжа позволило уменьшить вес летательных аппаратов Airbus A380 на 15% по сравнению с клепкой.
С самого начала внедрения лазерных технологий для этих целей начали использоваться мощные СО2 лазеры. Мощность их излучения составляет до десятков киловатт. На российском рынке представлены системы и российских, и зарубежных производителей, среди них: ЗАО «Технолазер» и ЗАО «Лазерные комплексы» (Шатура, МО), Trumpf и Rofin-Sinar (Германия) и др.
Недостатком газовых лазеров является, прежде всего, невысокий КПД – например, для лазера мощностью 5 кВт, обеспечивающего сварку стали на глубину 5 мм, потребляемая мощность составит 100 кВт.
После появления на рынке волоконных лазеров мощностью до десятков киловатт в этом сегменте рынка начали происходить существенные изменения. Это связано с тем, что достигнутые параметры по мощности позволяют сваривать материалы толщиной до 20-30 мм. За счет высокого КПД существенно снизилось энергопотребление и упростилось обслуживание систем, уменьшились весо-габаритные параметры. Однако стоимость таких станков, в сравнении с СО2 сравнительно высока.
Системы на лазерах мощностью до 500 Вт.
Прежде всего, среди лазеров этой группы следует выделить установки с импульсными твердотельными лазерами с ламповой накачкой с длиной волны излучения 1.06 мкм.
Применение импульсных лазеров обеспечивает минимальную зону термического влияния на материал, что позволяет сохранить геометрию свариваемых изделий практически без изменений. Установки с твердотельными лазерами нашли широкое применение в производстве приборов электронной техники, точного приборостроения, ювелирных и медицинских изделий, ремонта и восстановления пресс-форм. Эти установки используются для изготовления сложных и ответственных изделий в атомной, аэрокосмической, электронной, оборонной отраслях промышленности.
Использование импульсных твердотельных лазеров позволяет реализовывать такие технологии микрообработки, как сварка единым импульсом (SHADOW разработки швейцарской фирмы LASAG). Данная технология позволяет добиться минимальной длительности процесса (<200 мс), минимальных деформаций и термического воздействия (даже в сравнении с точечной и шовной лазерной сваркой).
В настоящее время на российском рынке предлагается широкий спектр современных моделей установок - от компактных комплексов для ручной сварки до широкоуниверсальных лазерных машин с 4х координатными столами. В частности, такой спектр оборудования для сварки серийно производится НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ» (г. Зеленоград). Станки для сварки также производит и реализует в России ОКБ «Булат». Из импортных производителей можно выделить Rofin-Sinar и LASAG AG.
Кроме установок с твердотельными лазерами с ламповой накачкой в последние годы также активно развивается производство станков с волоконными лазерами.
Использование таких типов лазеров позволяет осуществлять сварку с меньшими энергозатратами, на более высоких скоростях, а также реализовывать уникальные сложные технологии. С другой стороны и у этих типов лазеров есть свои ограничения – например, по спектру обрабатываемых материалов.
Активное применение эти станки на сегодняшний день нашли в частности в производстве кардиостимуляторов, точечной сварке лезвий бритв, деталей коробки передач с карданным валом и т.д.