Керівництво з лазерного зварювання – Все, що потрібно знати

Лазерне зварювання - це передовий і сучасний метод з'єднання матеріалів, який знаходить застосування в багатьох галузях промисловості. Завдяки своїй точності, швидкості та високій якості зварних швів, воно вважається одним з найефективніших методів зварювання. У цій статті ви дізнаєтеся, що таке лазерне зварювання, як воно працює та які має переваги, а також у яких сферах застосування ця технологія є незамінною в сучасному виробництві.

Що таке лазерне зварювання?

Лазерне зварювання передбачає використання сконцентрованого лазерного променя для плавлення та з'єднання матеріалів. Цей процес є надзвичайно точним, оскільки лазерний промінь може бути точно спрямований на точку з'єднання. Енергія лазерного променя розплавляє краї матеріалів, які після затвердіння створюють міцний і естетичний зварний шов.

Одним із найцікавіших аспектів лазерного зварювання є його здатність створювати зварні шви винятково малої ширини, від 0,2 до 13 мм. Крім того, завдяки надзвичайно високій щільності енергії, цей процес мінімізує тепловий вплив на інші ділянки матеріалу. Результатом є не лише підвищена точність, але й зменшення деформації зварюваних елементів.
Ця технологія чудово працює як на макро-, так і на мікрорівні - від з'єднання елементів у важкій та автомобільній промисловості, до ідеальних і найбільш естетичних зварних швів у меблевій промисловості.

Типи лазерного зварювання

Існує багато методів лазерного зварювання, які відрізняються застосуванням та характеристиками. Ось огляд найважливіших з них:

Зварювання теплопровідністю

Цей метод передбачає нагрівання матеріалу до температури плавлення без досягнення температури випаровування. Енергія подається на поверхню матеріалу, а потім розсіюється теплопровідністю до його внутрішньої частини. Цей процес дозволяє створити зварювальну ванну без глибокого проникнення. Це ідеальне рішення для зварювання тонких матеріалів, таких як сталеві та алюмінієві листи товщиною до 1,5 мм. У цій техніці часто використовуються газові лазери, такі як CO₂, та твердотільні лазери (наприклад, Nd:YAG), оскільки вони мінімізують деформацію матеріалу та забезпечують високу точність.

Зварювання глибокого проникнення

У цьому методі лазерна енергія проникає глибоко в матеріал, перевищуючи температуру плавлення та випаровування. Утворюється характерний паро-плазмовий канал, який дозволяє отримувати зварні шви з високим співвідношенням глибини до ширини (до 10:1). Ця техніка особливо корисна при зварюванні товстих сталевих елементів та сплавів металів. У процесі використовуються високопотужні лазери, такі як волоконні лазери, які ефективні навіть з матеріалами з високим коефіцієнтом відбиття, такими як алюміній.

Гібридне зварювання

Гібридне лазерне зварювання поєднує лазерну технологію з іншими методами, такими як дугове зварювання (MIG/MAG). Лазерний промінь створює паровий канал, а додаткове джерело енергії забезпечує наповнюючий матеріал. Цей метод характеризується високою швидкістю зварювання, здатністю з'єднувати неточно підігнані елементи та зменшенням деформації. Він широко використовується в суднобудівній, автомобільній та будівельній галузях.

Лазерне мікрозварювання

Це процес, розроблений для зварювання дуже малих елементів з винятковою точністю. Використовуються імпульсні лазери (наприклад, Nd:YAG), які дозволяють мінімізувати тепловий вплив на прилеглі ділянки матеріалу. Мікрозварювання використовується в електроніці, ювелірному виробництві та медицині, де точність є вирішальною.

Тут варто додати про імпульсне зварювання, яке є технікою, що використовується в методах MIG/MAG, включаючи циклічне збільшення та зменшення інтенсивності зварювального струму. Це дозволяє точно контролювати кількість тепла, що вводиться в матеріал, що особливо корисно при зварюванні тонких листів і матеріалів, чутливих до теплової деформації.

Лазерне з'єднання термопластів

Лазерне зварювання також використовується в пластиках. Лазерна енергія поглинається матеріалом, викликаючи його локальне плавлення та створення постійного з'єднання. Ця техніка використовується, серед іншого, у виробництві медичних та електронних компонентів.

Найважливіші особливості лазерного зварювання

Процес лазерного зварювання пропонує багато переваг, які роблять його однією з найсучасніших та найефективніших технологій у промисловості. Регулюючи такі параметри, як енергія імпульсу лазерного світла, положення фокуса лазерного променя або швидкість потоку захисного газу, процес можна адаптувати до різних матеріалів і вимог виробництва.

Ось найважливіші переваги цієї технології:

• точна подача енергії - завдяки лазерному променю з високою щільністю потужності, процес зварювання характеризується малою шириною зони термічного впливу. Здатність регулювати енергію дозволяє зварювати як тонкі матеріали, такі як алюмінієві листи товщиною 1,5 мм, так і товстіші елементи, такі як сталеві конструкційні елементи.

• висока швидкість зварювання - лазерне зварювання дозволяє досягти набагато вищої швидкості зварювання, ніж традиційне зварювання. Це робить процес більш ефективним, що особливо важливо у серійному виробництві. Висока швидкість не впливає негативно на якість зварних швів.

• універсальність застосування - лазерне зварювання дозволяє з'єднувати широкий спектр матеріалів, таких як метали або скло. За допомогою цього методу також можливо зварювати низьковуглецеві сталі. Можливість регулювання параметрів (наприклад, швидкості або часу зварювання) дозволяє з'єднувати різні типи матеріалів, зберігаючи високу якість зварного шва.

• мінімізація теплового впливу на матеріал - завдяки точному встановленню фокуса лазерного променя, енергія концентрується в строго визначеному місці, що обмежує тепловий вплив на навколишні ділянки (так звана дуже вузька ЗТВ - зона термічного впливу). В результаті зварні шви міцні, а ризик деформації або термічного пошкодження матеріалу зведений до мінімуму.

• чистота та естетичність процесу - у процесі лазерного зварювання немає необхідності використовувати додаткові наповнюючі матеріали, що впливає на економічний аспект. Крім того, завдяки обмеженій зоні термічного впливу, отримуються естетичні, гладкі зварні шви, які часто не потребують подальшої обробки. Ще однією перевагою лазерного зварювання є відсутність бризок, що не тільки покращує естетику виконання, але й підвищує безпеку праці та зменшує потребу в очищенні елементів.

• легкість автоматизації - лазерне зварювання легко інтегрується з автоматичними системами (роботизоване зварювання), що робить його ідеальним рішенням у сучасних виробничих лініях. Контроль лазерної енергії та швидкості зварювання дозволяє повністю контролювати процес, підвищуючи ефективність і повторюваність.

Ознайомтеся: Роботизовані лазерні робочі станції від Fanuci

Також варто підкреслити, що лазерне зварювання може бути підтримане додаванням матеріалу у формі зварювального дроту. У цьому випадку можливе зварювання з малими зазорами, при цьому досягаючи міцного з'єднання. Для більших зазорів рекомендуються пристрої, обладнані головкою 2W, які забезпечують ефективну роботу та відмінні результати.

Які обмеження лазерного зварювання?

Ця технологія, хоча й сучасна та ефективна, також має свої обмеження. Варто ретельно проаналізувати переваги та недоліки лазерного зварювання, щоб вирішити, чи буде воно відповідним для конкретного застосування. Серед найважливіших недоліків - високі витрати на придбання. Тим не менш, наразі на ринку доступні різні серії пристроїв, включаючи бюджетні, тому навіть менші компанії можуть використовувати цю технологію.

Кажуть, що викликом у лазерному зварюванні є обмежена здатність зварювати деякі матеріали, такі як метали з високим коефіцієнтом відбиття (сильно відбиваючі), наприклад, мідь. Однак варто пам'ятати, що це міф. Лазерне зварювання цілком можливе, але для таких матеріалів (наприклад, нержавіючої або чорної сталі) вирішальним є застосування відповідних параметрів зварювання (таких як потужність лазера) та врахування товщини покриття.

Ознайомтеся: Лазерні зварювальні апарати від Fanuci

Захисні гази в лазерному зварюванні

У лазерному зварюванні захисні гази відіграють ключову роль, впливаючи на якість і характеристики зварного шва. Аргон найчастіше використовується завдяки своїй доступності та низькій реактивності, що дозволяє ефективно захищати розплавлену металеву ванну. Гелій, хоча й дорожчий, забезпечує кращий контроль плазми завдяки своїй високій енергії іонізації, що робить його незамінним у проектах, де важлива висока точність. Азот в основному використовується при зварюванні нержавіючої сталі, де він може зміцнити зварний шов, але його взаємодія з алюмінієм або вуглецевою сталлю може призвести до утворення нітридів, які знижують якість з'єднання. Вуглекислий газ, з іншого боку, є економічним вибором для зварювання низьковуглецевих сталей, пропонуючи гладкі зварні шви, хоча він не захищає від окислення сталі.

Застосування лазерного зварювання

Лазерне зварювання знаходить застосування в багатьох галузях завдяки своїй універсальності та неперевершеній точності. Ось найважливіші приклади:

1. слюсарні роботи, огорожі та ворота - лазерне зварювання дозволяє створювати міцні та точні з'єднання, що надзвичайно важливо для елементів, які вимагають міцності та точності.

2. сталеві конструкції - технологія лазерного зварювання дозволяє ефективно з'єднувати великі сталеві елементи, гарантуючи при цьому високу якість і відповідність конструкційним вимогам.

3. гастрономія - у гастрономічній галузі лазерне зварювання використовується для виробництва посуду та аксесуарів з нержавіючої сталі, де пріоритетами є міцність і гігієнічність поверхні.

4. меблева промисловість - ця технологія особливо цінується у виробництві фурнітури та лофт-меблів, де зварні шви повинні бути як точними, так і естетично привабливими.

5. автомобільна промисловість - лазерне зварювання використовується для з'єднання елементів кузова, шасі та компонентів двигуна. Швидке з'єднання забезпечує міцність і естетичність, які є вирішальними в сучасному виробництві автомобілів.

6. авіаційне обладнання - в авіації кожен грам маси має значення. Лазерне зварювання дозволяє створювати легкі та міцні конструкції, які відповідають найвищим стандартам безпеки.

7. медична промисловість - лазерне зварювання використовується у виробництві хірургічних інструментів та імплантатів. Чистота процесу та висока точність цього методу дозволяють створювати елементи складної форми.

8. електроніка - мініатюризація електронних пристроїв вимагає точних зварних швів. Лазерні зварювальні апарати ідеально підходять для з'єднання малих компонентів без ризику їх пошкодження.

9. пластики - завдяки можливості регулювання параметрів процесу, лазерне зварювання також використовується для з'єднання термопластичних матеріалів. Лазерна енергія поглинається матеріалом, створюючи міцні з'єднання в електронних або медичних виробах.

Які матеріали можна зварювати лазером?

Одним із найчастіше зварюваних матеріалів є вуглецева сталь, яка використовується у важкій промисловості та автомобілебудуванні, де важливі міцність зварного шва та глибоке проникнення. Завдяки лазеру можливо отримати міцні та щільні з'єднання, які витримують високі механічні навантаження.

Іншим матеріалом, який чудово працює з цією технологією, є алюміній. Лазерне зварювання алюмінію дозволяє з'єднувати легкі та міцні елементи будь-якої форми, мінімізуючи тепловий вплив на навколишні ділянки.

Лазери також можуть зварювати титан, мідь і навіть важкозварювані матеріали, такі як нікелеві сплави або деякі пластики.

Типи лазерів, що використовуються в лазерному зварюванні

Лазерне зварювання використовує різні лазерні технології, які відрізняються типом середовища, що підсилює промінь, довжиною хвилі випромінювання та режимом роботи. Серед найчастіше використовуваних типів лазерів можна виділити такі:

• Волоконні лазери - використовують волокно ітербію (Yb) як активне середовище. Вони випромінюють хвилі в діапазоні від 980 до 1100 нм, забезпечуючи безперервне випромінювання або надшвидкі імпульси в технології Q-Switch. Вони характеризуються компактною конструкцією та високою ефективністю.

• Молекулярні CO₂ лазери - випромінюють хвилі довжиною 10,6 μм, доступні в безперервному та імпульсному режимах. Вони широко використовуються в промисловості завдяки своїй універсальності та здатності точно різати та зварювати різні матеріали.

• Твердотільні лазери - включаючи кристалічні лазери, такі як Nd:YAG (ітрій-алюмінієвий гранат) і YVO₄ (ортованадат ітрію). Вони випромінюють випромінювання в діапазоні 10,6 μм в безперервному або імпульсному режимах. Завдяки своїй конструкції вони ідеально підходять для зварювання матеріалів з високою щільністю та твердістю.

• Рубінові лазери - генерують хвилі довжиною 694,3 нм. Вони мають здатність досягати високої потужності через оптичну накачку за допомогою імпульсної лампи. Вони використовуються в процесах, що вимагають високої точності.

• Напівпровідникові лазери - базуються на лазерних діодах, які випромінюють хвилі довжиною 1070 нм. Вони можуть працювати в безперервному або імпульсному режимах, а їх накачування здійснюється електрично. Вони ефективні, компактні та можуть випромінювати світло в широкому спектральному діапазоні - від видимого до інфрачервоного.

Кожен із згаданих типів лазерів пропонує специфічні переваги, адаптовані до різних промислових вимог. Наприклад, лазерний зварювальний апарат для металу, що використовує волоконну технологію, дозволяє точно з'єднувати матеріали високої щільності, такі як нержавіюча сталь або алюміній, забезпечуючи високу якість зварних швів з мінімальним тепловим впливом. З іншого боку, CO₂ лазери добре працюють з неметалевими матеріалами завдяки своїй здатності ефективно різати та зварювати пластики.

Як вибрати правильний лазерний зварювальний апарат?

Вибір правильного лазерного зварювального апарату залежить від матеріалу, типу з'єднання та виробничих вимог. Тип лазера - волоконний, CO₂ або Nd:YAG - є вирішальним, оскільки кожен пропонує специфічні переваги. Потужність променя впливає на глибину проникнення, що дозволяє зварювати як тонкі, так і товстіші елементи. Регулювання параметрів зварювання, таких як швидкість або інтенсивність захисного газу, впливає на якість отримуваного зварного шва. Сучасні лазерні зварювальні апарати пропонують можливість автоматизації, тим самим підвищуючи ефективність і повторюваність процесу (повторювані зварні шви в основному зустрічаються в масовому виробництві), мінімізуючи при цьому експлуатаційні витрати.

Дізнайтеся більше: Комплексний посібник з лазерних зварювальних апаратів

Чи безпечне лазерне зварювання?

Говорячи про зварювання, варто торкнутися питання безпеки, оскільки робота з лазерним зварювальним апаратом вимагає навчання та знання правил охорони праці. Неправильне використання може призвести до серйозних наслідків. Дотримання правил охорони праці при зварюванні не тільки захищає здоров'я операторів, але й забезпечує ефективність і надійність процесу. Чи безпечне лазерне зварювання? Так, але лише за умови дотримання встановлених процедур.

Лазерне зварювання - технологія, яка змінює майбутнє промисловості

Інвестування в лазерне зварювання - це крок до інновацій, який не тільки покращує якість виробництва, але й підвищує його ефективність. Це технологія майбутнього, яка вже сьогодні змінює обличчя зварювання та забезпечує конкурентну перевагу компаніям, які її впроваджують.

Якщо ви шукаєте надійне та сучасне рішення, лазерне зварювання з використанням пристроїв Fanuci - це вибір, який задовольнить навіть найвимогливіші очікування.

Бібліографія:

1. Dominik Wyszyński, Лазерне зварювання - вибрані методи, "Welding Technology Review", Vol. 88 12/2016, https://distantreader.org/stacks/journals/pspaw/pspaw-717.pdf, онлайн доступ [15.01.2025]

2. Agnieszka Twardowska, Технологічні лазери, призначені для зварювання, "Annales Universitatis Paedagogicae Cracoviensis Studia Technica", III (2010), https://rep.up.krakow.pl/xmlui/bitstream/handle/11716/10535/AF074--25--Lasery-technologiczne--Twardowska.pdf?sequence=1&isAllowed=y, онлайн доступ [15.01.2025]

3. Технології виробництва. Технологія зварювання. Лабораторія, під редакцією A. Ambroziak, https://dbc.wroc.pl/Content/7156/PDF/Techniki_wytwarzania.pdf, Вроцлав 2010, онлайн доступ [16.01.2025]