Основы лазерной сварки

Понимание основ лазерной сварки крайне важно для получения прочных и стабильных сварных швов нержавеющей стали. Этот процесс основан на строго контролируемых параметрах, определяющих глубину проплавления, ширину шва и размер зоны термического влияния. Следующие концепции описывают взаимодействие лазера с нержавеющей сталью и влияние различных настроек на результаты.

Проводимость против режима «замочной скважины»

Режим конвекции: энергия лазера расплавляет поверхность металла, и тепло распространяется в материал, главным образом, за счёт теплопроводности. Это позволяет получать неглубокие, широкие сварные швы с минимальным испарением — идеальный вариант для тонких сечений, сварки с низким тепловложением и косметических швов.

Режим «Замочная скважина»: при более высокой плотности мощности лазер испаряет металл в фокусе луча, создавая небольшую полость (замочную скважину). Луч проникает глубоко, обеспечивая узкие и глубокие сварные швы в более толстых секциях. Этот режим обеспечивает максимальное проплавление, но требует точного контроля, чтобы избежать пористости и нестабильности.

Непрерывная волна (CW) против импульсной

Непрерывная волна (CW): обеспечивает стабильную, бесперебойную работу. Идеально подходит для длинных, непрерывных швов, где скорость и равномерность провара являются приоритетами, что часто встречается на автоматизированных производственных линиях.

Импульсный режим: подача энергии контролируемыми импульсами. Подходит для термочувствительных деталей, мелкой детализации или точечной сварки. Импульсная сварка уменьшает деформацию и потемнение, что делает её подходящей для прецизионных узлов и тонких деталей из нержавеющей стали.

Качество луча, размер пятна и энергия на единицу длины

Качество луча: более высокое качество луча (измеряется в M²) создает меньшее, более сфокусированное пятно, что позволяет выполнять более точные сварные швы и более глубокое проплавление при меньшей мощности.

Размер пятна: меньшие пятна увеличивают плотность энергии, улучшая проникновение. Более крупные пятна рассеивают тепло, снижая риск прожога тонких материалов.

Энергия на единицу длины: баланс мощности лазера и скорости перемещения определяет общую потребляемую энергию. Избыток энергии приводит к искажениям и чрезмерной зоне термического влияния (ЗТВ), а недостаток — к слабому или неполному слиянию.

Колебание и сканирующая оптика

Сварка с колебанием: представляет собой колебание лазерного луча по небольшим траекториям при перемещении вдоль шва. Улучшает перекрытие зазоров, снижает чувствительность к выравниванию и позволяет получать более широкие и щадящие сварные швы.

Сканирующая оптика: зеркала или гальванометры позволяют перемещать лазерный луч по заготовке с высокой скоростью. Обеспечивает быструю смену шаблонов, многоточечную сварку и интеграцию с системами автоматизации. Они особенно ценны в массовом производстве и при обработке деталей сложной геометрии.

Производительность лазерной сварки зависит от того, как вы контролируете взаимодействие луча с материалом. Режим кондуктивной сварки подходит для тонких, неглубоких швов, в то время как режим сварки «замочная скважина» обеспечивает глубокое проплавление. Режим непрерывной сварки обеспечивает скорость и стабильность, а импульсный режим контролирует нагрев в хрупких деталях. Качество луча и размер пятна определяют плотность энергии, а соответствие энергии на единицу длины сварного шва и сварного шва критически важно для обеспечения прочности без искажений. Передовые технологии, такие как сварка с качающейся осью и сканирующая оптика, расширяют гибкость, делая лазерную сварку универсальным инструментом для производства нержавеющей стали в различных отраслях промышленности.

Правила совместного проектирования и сборки

При лазерной сварке конструкция соединения и точность сборки напрямую влияют на качество, провар и внешний вид шва. В отличие от некоторых дуговых методов сварки, лазерная сварка обеспечивает меньший допуск на большие зазоры или несоосность из-за узкого луча и небольшой сварочной ванны. Выбор правильного типа соединения, правильная подготовка кромок и точная сборка имеют решающее значение для получения прочных и бездефектных сварных швов нержавеющей стали.

Стыковые соединения

Описание: Две детали, выровненные в одной плоскости и соединенные по краям.

Особенности лазерной сварки: Оптимальная работа с минимальным зазором или без него (<0,1 мм для тонких срезов). Требует точной подготовки кромок для предотвращения неполного сплавления. Для более толстых срезов часто используется режим «замочная скважина».

Применение: панели из листового металла, сосуды под давлением, трубы.

Соединения внахлестку

Описание: Одна деталь накладывается на другую, и лазер проникает через верхний слой в нижний.

Особенности лазерной сварки: эффективна для соединения материалов разной толщины. Перекрытие должно быть равномерным, а поверхности — чистыми, чтобы предотвратить скопление загрязнений. Небольшая расфокусировка может улучшить равномерность проплавления.

Применение: кузовные панели автомобилей, кожухи, тонкие структурные узлы.

Филейные соединения

Описание: Детали, соединенные под углом, обычно 90°, с нанесенным на угол сварочным металлом.

Особенности лазерной сварки: Идеально подходит для автоматизации, но требует точного совмещения стыка. Скругление кромок улучшает доступ луча в узких углах. Сварка с колебанием позволяет равномерно заполнить стык.

Применение: Рамы, кронштейны, коробчатые конструкции.

Края и углы

Описание: Включает угловые соединения и торцевые сварные швы, где балка сплавляет материал на границе.

Особенности лазерной сварки: особенно чувствительна к ошибкам совмещения. Низкое тепловложение минимизирует деформацию, но для сохранения геометрии требуется тщательная фиксация. Часто используется для декоративных деталей из нержавеющей стали благодаря чистым, видимым швам.

Фаски и подготовка

Описание: Скошенные или подготовленные края для более глубокого проникновения или размещения наполнителя.

Особенности лазерной сварки: общие для толстых нержавеющих сталей, где требуется однопроходное проплавление. Угол фаски и притупление кромки должны быть одинаковыми; чрезмерный скос может снизить эффективность соединения.

Прихваточная сварка

Описание: Небольшие временные сварные швы, удерживающие детали в нужном положении перед окончательной сваркой.

Рекомендации по лазерной сварке: предотвращает смещение деталей во время сварки и минимизирует изменение зазора. Лазерные прихваточные швы выполняются быстро, с малыми деформациями и легко автоматизируются. Расстояние между прихватками должно соответствовать толщине материала и жёсткости соединения.

Лазерная сварка требует плотной сборки и тщательной подготовки стыка, поскольку при этом образуется небольшая сварочная ванна с минимальными допусками на зазоры или несоосность. Стыковые соединения требуют практически идеального контакта кромок, нахлесточные — чистых поверхностей перекрытия, а угловые — точного доступа к углам. Кромки, углы и фаски должны быть одинаковыми для полного провара, а прихваточная сварка обеспечивает точное совмещение деталей при высокоскоростной сварке. Соблюдение этих правил проектирования и сборки соединений обеспечит прочность, точность и визуальное качество сварных швов нержавеющей стали.