Лазерная сварка: основы |

Что такое лазерная сварка? Лазерная сварка: объяснение! Все, что вам нужно знать о лазерной сварке, включая основные принципы и параметры процесса!

Многие клиенты не понимают основных принципов работы лазерных сварочных аппаратов, не говоря уже о выборе подходящего аппарата. Однако компания Mimowork Laser готова помочь вам принять правильное решение и оказать дополнительную поддержку, чтобы вы смогли разобраться в принципах лазерной сварки.

Что такое лазерная сварка?

Лазерная сварка — это разновидность сварки плавлением, при которой лазерный луч используется в качестве источника тепла. Принцип сварки заключается в том, что с помощью специального метода активная среда подвергается воздействию колебаний резонансной полости, которые затем преобразуются в стимулированный луч излучения. Когда луч соприкасается с заготовкой, энергия поглощается заготовкой, и сварка начинается при достижении температурой плавления материала.

В зависимости от основного механизма сварочной ванны, лазерная сварка имеет два основных способа сварки: теплопроводящая сварка и сварка с глубоким проплавлением (с образованием сквозного отверстия). Тепло, выделяемое при теплопроводящей сварке, передается на заготовку посредством теплопередачи, в результате чего поверхность сварного шва расплавляется, испарения не происходит, что часто используется при сварке тонких деталей с низкой скоростью вращения. При сварке с глубоким проплавлением материал испаряется, образуя большое количество плазмы. Из-за высокой температуры в передней части расплавленной ванны образуются отверстия. Сварка с глубоким проплавлением является наиболее распространенным способом лазерной сварки, она позволяет тщательно сварить заготовку, а потребляемая энергия огромна, что приводит к высокой скорости сварки.

Параметры процесса лазерной сварки

На качество лазерной сварки влияет множество параметров процесса, таких как плотность мощности, форма лазерного импульса, расфокусировка, скорость сварки и выбор вспомогательного защитного газа.

Плотность мощности лазера

Плотность мощности — один из важнейших параметров лазерной обработки. При более высокой плотности мощности поверхностный слой может быть нагрет до точки кипения за микросекунду, что приводит к значительному испарению. Поэтому высокая плотность мощности выгодна для процессов удаления материала, таких как сверление, резка и гравировка. При низкой плотности мощности для достижения температурой поверхности точки кипения требуется несколько миллисекунд, и до испарения поверхности нижняя часть достигает точки плавления, что облегчает образование качественного сварного шва. Поэтому в случае лазерной сварки с теплопроводностью диапазон плотности мощности составляет 104-106 Вт/см².

Сварочный аппарат для лазерной сварки ювелирных изделий, продувка воздухом

Форма лазерного импульса

Форма лазерного импульса является не только важным параметром для различения удаления материала от его плавления, но и ключевым параметром, определяющим объем и стоимость технологического оборудования. Когда высокоинтенсивный лазерный луч направляется на поверхность материала, 60–90% лазерной энергии отражается и считается потерянной, особенно это касается золота, серебра, меди, алюминия, титана и других материалов, обладающих сильным отражением и быстрым теплообменом. Коэффициент отражения металла изменяется со временем в течение лазерного импульса. Когда температура поверхности материала повышается до точки плавления, коэффициент отражения быстро уменьшается, а когда поверхность находится в состоянии плавления, коэффициент отражения стабилизируется на определенном значении.

Ширина лазерного импульса

Длительность импульса является важным параметром импульсной лазерной сварки. Длительность импульса определяется глубиной проплавления и зоной термического воздействия. Чем больше длительность импульса, тем больше зона термического воздействия, а глубина проплавления увеличивается в степени 1/2 от длительности импульса. Однако увеличение длительности импульса снижает пиковую мощность, поэтому увеличение длительности импульса обычно используется при сварке теплопроводностью, что приводит к получению широкого и неглубокого сварного шва, особенно подходящего для сварки внахлест тонких и толстых пластин. Однако более низкая пиковая мощность приводит к избыточному подводу тепла, и для каждого материала существует оптимальная длительность импульса, которая максимизирует глубину проплавления.

Количество расфокусировки

Лазерная сварка обычно требует определенной степени расфокусировки, поскольку плотность мощности в центре лазерного пятна в фокусе слишком высока, что легко приводит к испарению сварочного материала и образованию отверстий. Распределение плотности мощности относительно равномерно в каждой плоскости, удаленной от лазерного фокуса.

Существует два режима расфокусировки:
Положительная и отрицательная расфокусировка. Если фокальная плоскость расположена над заготовкой, это положительная расфокусировка; в противном случае — отрицательная. Согласно теории геометрической оптики, когда расстояние между плоскостями положительной и отрицательной расфокусировки и плоскостью сварки одинаково, плотность мощности на соответствующей плоскости приблизительно одинакова, но на самом деле форма полученной ванны расплава различна. В случае отрицательной расфокусировки достигается большее проплавление, что связано с процессом формирования ванны расплава.

Скорость сварки

Скорость сварки определяет качество свариваемой поверхности, глубину проплавления, зону термического воздействия и т.д. Скорость сварки влияет на количество подводимой тепловой энергии в единицу времени. Если скорость сварки слишком низкая, подводимая тепловая энергия слишком высока, что приводит к прогоранию заготовки. Если скорость сварки слишком высокая, подводимая тепловая энергия слишком мала, что приводит к частичной и незавершенной сварке заготовки. Снижение скорости сварки обычно используется для улучшения проплавления.

Вспомогательный газ для защиты от продувки

Вспомогательная подача защитного газа является важной процедурой при высокомощной лазерной сварке. С одной стороны, она предотвращает разбрызгивание металла и загрязнение фокусирующего зеркала; с другой стороны, она предотвращает чрезмерную фокусировку плазмы, образующейся в процессе сварки, и попадание лазерного луча на поверхность материала. В процессе лазерной сварки для защиты расплавленной ванны часто используются гелий, аргон, азот и другие газы, чтобы предотвратить окисление заготовки в сварочной технике. Такие факторы, как тип защитного газа, размер воздушного потока и угол продувки, оказывают большое влияние на результаты сварки, а различные методы продувки также оказывают определенное влияние на качество сварки.