Лазерные сварочные аппараты: что это такое, как работают, чем отличаются

В мире сварки существует множество методов, но одним из самых инновационных и эффективных является лазерная сварка. Эта технология завоевывает популярность благодаря своим уникальным преимуществам. Давайте разберемся, как она работает, какие ее разновидности существуют и какие особенности у нее есть.

Лазерная сварка была впервые разработана в 1960-х годах, практически одновременно с появлением самих лазеров. Первые эксперименты провели исследователи из Bell Telephone Laboratories в США, используя рубиновый лазер. Они обнаружили, что короткие импульсы высокоинтенсивной энергии могут создавать узкие и точные сварные швы с минимальными зонами термического влияния и искажениями. Уже тогда стало очевидно, что такая сварка может соединять разнородные материалы.

С развитием технологий и появлением твердотельных лазеров, лазерная сварка стала более доступной и недорогой для широкого спектра применений. Сегодня эта технология считается передовой и используется в различных отраслях благодаря своей точности, скорости и экономичности.

Лазерная сварка обладает рядом значительных преимуществ по сравнению с традиционными методами сварки:

1. Меньшее тепловое воздействие:
Лазерный луч высокой концентрации фокусируется на очень небольшой области, что значительно уменьшает зону термического влияния (ЗТВ). Это позволяет сводить к минимуму тепловое воздействие на окружающие материалы, сохраняя их структуру и свойства. Такая точная фокусировка снижает риск повреждения или искажения соседних участков, что особенно важно при работе с тонкими или чувствительными материалами. Меньшая зона нагрева также означает, что энергетические затраты более эффективны, что делает процесс экономичным.

2. Быстрая обработка:
Лазерная сварка позволяет значительно ускорить процесс соединения материалов по сравнению с традиционными методами. Высокая скорость обработки обусловлена интенсивностью излучения и возможностью точного контроля процесса. Это приводит к значительному увеличению производительности и снижению времени выполнения задач. Несмотря на высокие начальные инвестиции в оборудование, затраты быстро окупаются за счет экономии времени и повышения эффективности. Быстрая обработка также уменьшает общие производственные расходы, делая сварку более рентабельной.

3. Снижение риска тепловой деформации:
Низкое тепловое воздействие лазерной сварки минимизирует внутренние напряжения и деформации, возникающие при нагреве металла. Лазер плавит только небольшую область материала, что позволяет избежать значительных изменений формы и размера деталей. Это особенно важно при работе с прецизионными компонентами, где любые отклонения могут привести к нарушению их функциональности. Снижение тепловой деформации также улучшает общую прочность и долговечность сварного соединения, что повышает надежность и качество конечного продукта.

4. Высокая точность:
Лазерный луч обладает большойстепенью точности и может быть сконцентрирован на очень малой области. Это делает сварку идеальной для выполнения сложных задач, требующих высокой точности, таких как сварка деликатных или тонких металлов. Возможность точного контроля размера и интенсивности луча позволяет добиваться безупречных сварных швов с минимальными дефектами. Высокая точность также означает, что лазерная сварка подходит для работы с микрокомпонентами и в условиях, где традиционные методы сварки не могут обеспечить необходимую детализацию и качество.

Аппарат состоит из нескольких ключевых компонентов, каждый из которых выполняет важную роль в процессе сварки. Рассмотрим основные части устройства и их функции.

Хост лазерной сварки

Хост лазерной сварки отвечает за генерацию лазерных лучей. Он включает в себя:

• Источник питания:

Обеспечивает энергией весь аппарат, стабилизируя и регулируя подачу энергии для различных процессов внутри хоста. Надежный источник питания критичен для поддержания постоянной работы и предотвращения сбоев, которые могут повлиять на качество сварки. Мощность источника питания должна соответствовать требованиям конкретного сварочного аппарата, обеспечивая достаточную энергию для генерации лазерного луча.

• Лазерный генератор:

Создает лазерный луч, который используется для сварки. Он преобразует электрическую энергию, поступающую от источника питания, в концентрированный пучок света. В зависимости от типа лазера (например, волоконный, CO2 или твердотельный), генератор может включать различные активные среды и оптические компоненты, которые определяют характеристики выходного луча, такие как длина волны, мощность и качество.

• Световой путь:

Направляет лазерный луч к месту сварки. Он включает зеркала, линзы и оптоволоконные кабели, которые обеспечивают точное направление и фокусировку луча на рабочей поверхности. Точная настройка светового пути необходима для минимизации потерь энергии и обеспечения равномерного распределения тепла, что напрямую влияет на качество сварного шва. Оптические компоненты должны быть высококачественными и правильно откалиброванными для достижения оптимальных результатов.

• Система управления:

Контролирует работу всех компонентов хоста, обеспечивая синхронизацию и точность процесса сварки. Она включает программное обеспечение и электронику, которые регулируют мощность лазера, положение светового пути и параметры сварки. Система управления также может включать интерфейс пользователя для настройки и мониторинга процесса, что позволяет операторам легко адаптировать параметры под конкретные задачи и материалы. Современные системы управления часто оснащены функциями автоматической калибровки и диагностики, что упрощает обслуживание и повышает надежность оборудования.
Эти элементы работают вместе для создания мощного и точно направленного лазерного луча, который используется для сварки различных материалов.

Автоматический верстак или система движения

Автоматический верстак или система движения используется для перемещения луча по сварочной дорожке в соответствии с конкретными требованиями. Существует несколько типов управления движением:

• Движение заготовки при фиксированной лазерной головке;
• Движение лазерной головки при фиксированной заготовке;
• Перемещение как лазерной головки, так и заготовки.

Все движения контролируются программным управлением (ЧПУ), что упрощает настройку и управление процессом без необходимости в профессиональных навыках.

Система охлаждения

Система охлаждения предотвращает перегрев лазерного генератора. Обычно она оснащена водяными чиллерами мощностью от 1 до 5 л.с., что помогает поддерживать стабильную работу оборудования.

Стационарное оборудование

Стационарное оборудование, или приспособления для фиксации, удерживает детали на месте во время сварки. Они позволяют многократно загружать и выгружать детали, что особенно удобно для автоматической сварки при массовом производстве.

Система наблюдения

Обычно оборудование оснащено системой наблюдения, которая позволяет в реальном времени наблюдать за процессом сварки. Система может включать в себя микроскоп или систему отображения CCD, что позволяет удобно и точно определять местоположение сварного шва и проверять его качество в процессе сварки.

Эти пять основных компонентов работают вместе, обеспечивая точность и эффективность сварки, что позволяет достигать высококачественных результатов при работе с различными материалами и деталями.

Строительство стальных конструкций

В строительстве стальных конструкций сварка применяется для обработки толстых листов металла. Высокая скорость и точность этой технологии позволяют создавать надежные и прочные конструкции. Лазерная сварка также уменьшает количество деформаций, что особенно важно для строительства больших и сложных сооружений.

Судостроение

В судостроении лазерная сварка используется для производства и управления такими критическими элементами, как винты и рули. Точность и высокая толерантность сварки помогают снизить расход топлива и увеличить скорость судов. Благодаря этой технологии, корабли становятся более экономичными и эффективными.

Производство инструментов

Высокая точность лазерной сварки делает ее идеальной для изготовления различных инструментов, включая прессовочные, штамповочные и литейные формы. Эта технология обеспечивает точное и надежное соединение деталей, что особенно важно для инструментов, требующих высокой прочности и долговечности.

Ювелирные работы

Лазерная сварка нашла широкое применение в ювелирной индустрии благодаря своей способности создавать точные и чистые соединения. Она идеально подходит для ремонта и изготовления ювелирных изделий, позволяя работать с мельчайшими деталями без риска повреждения драгоценных металлов и камней. Сварка обеспечивает высокую точность и аккуратность, что особенно важно для создания изысканных украшений и сложных дизайнов.

Лазерная сварка продолжает расширять свои возможности, предлагая инновационные решения для самых разных отраслей. Ее точность, скорость и надежность делают ее незаменимой технологией в современном производстве.

Волоконные лазеры завоевали популярность благодаря своей высокой эффективности, стабильности, качеству луча и низким эксплуатационным затратам. Эти характеристики делают их идеальными для множества применений в лазерной обработке. Прежде чем рассмотреть конкретные волоконные типы, давайте разберемся с основными принципами их работы.

Волоконный лазерный источник использует стекловолокно, легированное редкоземельными элементами, в качестве активной среды. Свет накачки создает инверсию населенности энергии внутри волокна, что приводит к генерации излучения при правильной настройке резонансного резонатора.

Теперь рассмотрим различные типы волоконных лазеров, которые включают непрерывные, квазинепрерывные, MOPA импульсные и Q-switch импульсные источники.

Непрерывные лазеры

Непрерывные лазеры излучают стабильную форму волны энергии на протяжении всего рабочего времени. Они обладают высокой мощностью и могут обрабатывать материалы с большим объемом и высокой температурой плавления, такие как металлические пластины.

Непрерывные типы делятся на одномодовые и многомодовые.

Одномодовые лазеры

Они имеют один модуль накачки и тонкое волокно. Они излучают гауссов пучок, энергия которого концентрирована в центре. Это обеспечивает очень высокое качество луча, позволяя выполнять точное и чистое резание. Одномодовые лазеры идеально подходят для резки тонких материалов (до 1 мм), где требуется высокая точность и качество.

Многомодовые лазеры

Состоят из нескольких модулей накачки, объединяющих лучи в одно активное волокно. Они излучают множество гауссовых пучков, что распределяет энергию более равномерно. Качество луча у них ниже, чем у одномодовых, но они обладают большей мощностью. Эти лазеры лучше подходят для резки толстых материалов (2 мм и более), где важна высокая мощность и скорость обработки.

Основные различия и применения:

• Качество луча:

Одномодовые лазеры предоставляют более высокий уровень качества луча, что делает их идеальными для задач, требующих высокой точности, таких как резка тонких материалов. Это качество позволяет выполнять работы с минимальными дефектами и высокой степенью детализации, что особенно важно в ювелирном деле и микрообработке.

• Мощность и эффективность:

Многомодовые лазеры обеспечивают более высокую мощность, что предпочтительно для обработки толстых материалов. Их способность работать с большими объемами и высокими температурами делает их незаменимыми в тяжелых производственных условиях, где важна скорость и эффективность процесса.

• Сварка:

Одномодовые лазеры создают более гладкие и аккуратные швы при работе с тонкими материалами, что идеально для применения в точных инженерных задачах и при производстве высококачественных изделий. Многомодовые лазеры, с их мощностью и глубиной проникновения, лучше справляются с глубоким проплавлением и сваркой толстых материалов, что делает их предпочтительными для строительства и судостроения, где важна прочность и долговечность соединений.

Квазинепрерывные лазерные источники

Квазинепрерывные источники представляют собой промежуточный тип лазеров между непрерывными и импульсными, сочетая в себе элементы обоих режимов работы. Они способны генерировать мощные импульсы света, которые выходят с высокой частотой, что делает их похожими на непрерывные лазеры по своим характеристикам мощности и стабильности. В то же время, квазинепрерывные источники имеют свойства импульсных лазеров, что позволяет им быть эффективными для точной обработки материалов.

Преимущества квазинепрерывных лазеров:

1. Высокая мощность и точность:
Они объединяют в себе высокую мощность и точность, что делает их универсальными инструментами для широкого спектра применений. Они способны создавать мощные световые импульсы, которые могут эффективно обрабатывать различные материалы с высокой точностью. Это особенно полезно в таких областях, как микрообработка и производство электронных компонентов, где требуется высокая детализация и минимальные отклонения.

2. Гибкость в настройке:
Это позволяет адаптировать лазер для выполнения конкретных задач, улучшая качество обработки и повышая производительность. Возможность регулировки частоты, длительности и интенсивности импульсов делает этот тип идеальным для различных промышленных процессов, включая сварку, резку и маркировку. Такая гибкость особенно важна для применения в условиях, требующих быстрой адаптации оборудования к изменяющимся производственным требованиям.

3. Эффективность:
Квазинепрерывные лазеры обладают высокой эффективностью, что значительно снижает эксплуатационные затраты. Благодаря своей способности генерировать мощные импульсы света с минимальными потерями энергии, они являются экономически выгодными для промышленного использования. Высокая эффективность также способствует сокращению времени обработки и снижению потребления энергии, что делает их более экологичными и выгодными с точки зрения долгосрочных затрат.

Лазерные маркировочные машины: MOPA и чистящие (Q-switch) технологии

Современные лазерные маркировочные машины используют два основных типа технологий: MOPA и Q-switched. Каждая из них имеет свои особенности, преимущества и области применения.

Чистящие импульсные лазерные источники

Q-switched лазеры были одними из первых на рынке маркировки. Они работают на основе модуляции качества (Q-switching), создавая короткие, высокоэнергетические импульсы. Эти источники отличаются высокой мощностью импульсов, но не могут регулировать их ширину. Поэтому они хорошо подходят для общей маркировки, но не для задач, требующих высокой точности.

MOPA импульсные лазерные источники

MOPA лазеры представляют собой более новую технологию, активно развивающуюся в последние годы. Они используют архитектуру Master Oscillator Power Amplifier (MOPA), что позволяет гибко регулировать ширину и частоту импульсов. Благодаря этой гибкости, MOPA типы обеспечивают высокую точность и качество маркировки, что делает их идеальными для деликатных задач.

Основные различия:

Различие между MOPA и чистящими лазерами заключается в их способности регулировать импульсы, что влияет на точность и применение этих технологий.

Чистящие лазеры представляют собой устройства с фиксированными параметрами импульсов, что накладывает определенные ограничения на их функциональность:

1. Фиксированные импульсы:
Создают мощные, но неизменяемые импульсы. Это означает, что параметры импульсов, такие как их ширина и частота, остаются постоянными и не могут быть адаптированы под специфические требования различных задач. Хотя это ограничивает их гибкость, такая конфигурация обеспечивает стабильную и высокую мощность, что полезно для определенных видов обработки.

2. Ограниченная точность:
Невозможность регулировки импульсов снижает точность чистящих лазеров при выполнении деликатных задач. Они подходят для более общих применений, где высокая точность не является критической. Их использование ограничивается задачами, где важнее высокая мощность, чем точное управление процессом.

3. Деформация материалов:
При удалении анодного покрытия чистящие лазеры могут вызывать деформацию материала и выпуклости на обратной стороне обрабатываемой детали. Это происходит из-за отсутствия возможности настройки импульсов, что приводит к неравномерному воздействию на материал. Такая деформация может быть критичной для задач, требующих высокой точности и качества поверхности.

4. Применение:
Такие лазеры эффективны для общей маркировки и обработки материалов с высокой температурой плавления. Они идеально подходят для массового производства металлических и пластиковых изделий, где требуется быстрое и эффективное удаление загрязнений или окислов с поверхностей. Их мощность делает их незаменимыми в промышленности, где объемы работ высоки, а требования к точности менее строги.

MOPA лазеры, с другой стороны, предлагают более гибкие возможности настройки импульсов, что делает их более универсальными и точными:

1. Регулируемые импульсы:
MOPA лазеры предоставляют возможность гибкой настройки ширины и частоты импульсов. Это позволяет точно контролировать процесс лазерной обработки, адаптируя параметры под конкретные задачи. Такая гибкость обеспечивает высокую универсальность MOPA типов, делая их подходящими для самых различных применений.

2. Высокая точность:
Возможность регулировки импульсов обеспечивает высокую точность и качество маркировки. Это особенно важно при выполнении сложных и деликатных задач, где требуется аккуратное и точное воздействие на материал. MOPA лазеры позволяют добиваться четких и чистых линий без дефектов, что критично для высокотехнологичных производств.

3. Без деформации:
Не деформируют материал, обеспечивая более точную и яркую маркировку. Это достигается благодаря способности адаптировать параметры импульсов к особенностям обрабатываемого материала, что предотвращает избыточное нагревание и механическое напряжение. Таким образом, поверхность остается гладкой и ровной, без нежелательных деформаций.

4. Применение: Они идеальны для деликатных задач, таких как:

• Черная маркировка на анодированном алюминии: Позволяет создавать четкие и стойкие черные метки без повреждения материала.
• Точная обработка электроники и полупроводников: Обеспечивает высокую точность и аккуратность, необходимые для работы с микросхемами и другими мелкими компонентами.
• Создание тонких и гладких линий: Идеально подходит для ювелирных работ, медицинских инструментов и других применений, требующих высокой точности и детализации.

Преимущества и применения:

Оба типа имеют свои сильные стороны. Чистящие лазеры отлично справляются с общими задачами маркировки, где не требуется высокая точность. Они подходят для маркировки металлических и пластиковых изделий в массовом производстве.

MOPA лазеры, с их возможностью тонкой настройки импульсов, идеально подходят для более сложных и деликатных задач. Они используются для черной маркировки на анодированном алюминии, точной обработки электроники и полупроводников, а также в других областях, где важна высокая точность и качество маркировки.

Выбор между Q-switched и MOPA лазерами зависит от конкретных задач и требований. Для общей маркировки с акцентом на мощность подойдут чистящие. Если же нужна высокая точность и качество, предпочтение стоит отдать MOPA лазерам. Эти технологии дополняют друг друга, обеспечивая широкие возможности для различных применений.

На эффективность сварки влияют следующие аспекты:

1. Мощность лазера:
Она представляет собой количество энергии, направляемой лазером на заготовку. Более высокая мощность позволяет быстрее выполнять сварку и обеспечивает большее проплавление материалов, что особенно важно для толстых и плотных металлов. Однако, для получения качественного шва необходимо точно контролировать уровень мощности. Слишком высокая мощность может привести к перегреву и деформации материала, в то время как недостаточная мощность может вызвать неполное проплавление и слабое соединение.

2. Размер пятна:
Он зависит от качества луча, коллимации и фокусировки. Лазер с высоким качеством луча и хорошей коллимацией создает меньшую точку на сварном шве. Это позволяет концентрировать энергию на малой площади, повышая эффективную мощность и обеспечивая более контролируемый процесс расплава. Меньший размер пятна также способствует уменьшению зоны термического влияния (HAZ), что минимизирует тепловую деформацию и улучшает качество сварного шва.

3. Скорость подачи/траверса:
Скорость и траектория движения лазера вдоль шва являются критическими параметрами, влияющими на качество сварки. Правильная скорость подачи позволяет достичь оптимального баланса между глубиной проплавления и контролем над зоной термического влияния. Слишком высокая скорость может привести к неполному проплавлению, в то время как слишком низкая скорость может вызвать перегрев и деформацию детали. Точное управление скоростью и траекторией движения помогает избежать дефектов и обеспечивает высокое качество сварного соединения.

4. Защитный газ:
Инертные газы, такие как аргон или гелий, используются для предотвращения окисления сварного шва. Выбор и расход защитного газа должны соответствовать материалу и типу сварного шва. Правильно подобранный защитный газ защищает расплавленный металл от взаимодействия с атмосферным кислородом и другими газами, что предотвращает образование оксидов и пористости. Это особенно важно при сварке высоколегированных сталей и других материалов, чувствительных к окислению.

5. Толщина материала:
Толщина материала является важным параметром, так как она определяет возможности конкретного лазерного сварочного аппарата. При увеличении толщины деталей требуется большая мощность, а скорость подачи обычно снижается для обеспечения достаточного проплавления. Каждое оборудование имеет свои пределы по толщине обрабатываемых материалов. Превышение этих пределов может привести к некачественному соединению и необходимости дополнительных обработок.

6. Конструкция соединения:
Конструкция соединения существенно влияет на качество сварки. Точное соответствие и подгонка деталей обеспечивают равномерное распределение тепла и минимизируют вероятность дефектов. Доступность мест сварки также играет значительную роль: легкий доступ к зоне сварки позволяет более точно контролировать процесс и улучшать качество шва. Правильная конструкция соединения способствует эффективному и качественному выполнению сварочных работ.

Эти параметры совместно определяют, насколько успешно будет выполнена лазерная сварка, и позволяют достичь высокого качества соединений при правильной настройке и управлении процессом.

Лазерные сварочные аппараты продолжают совершенствоваться, открывая новые возможности в материаловедении и технологиях соединения. Исследования направлены на расширение спектра свариваемых материалов, улучшение энергоэффективности и миниатюризацию оборудования. Эти достижения обещают более широкое применение лазерной сварки, способствуя развитию инновационных продуктов и повышению производственной эффективности.

ИЦРТ "ФОТОН" с 2021 года является надежным поставщиком лазерных сварочных аппаратов и лазерных источников. Мы доставляем оборудование по всей России и СНГ, предлагая высокое качество по конкурентоспособным ценам. Вся продукция "Фотон" сертифицирована по стандартам ISO9001, что гарантирует качество и надежность. Гибкий подход и тщательный контроль качества обеспечивают удовлетворение потребностей клиентов и высокие результаты сварочных работ.