Волоконный лазерный сварочный аппарат, преобразующий точность и качество сварных швов

Сварка играет важнейшую роль в современном производстве, влияя на прочность, долговечность и эксплуатационные характеристики множества изделий. От автомобильных рам до компонентов аэрокосмической техники качество сварного шва напрямую влияет на безопасность и долговечность готового изделия. Традиционные методы сварки, такие как MIG, TIG или дуговая сварка, десятилетиями применяются в промышленности, но имеют свои ограничения. Такие факторы, как квалификация оператора, тепловые деформации и неравномерное проваривание, могут снизить как точность, так и эффективность.

В последние годы сварочный аппарат с волоконным лазером Это революционное решение, предлагающее уровень контроля и точности, недостижимый традиционными методами. Используя концентрированный лазерный луч, передаваемый по оптоволокну, эта технология обеспечивает точное распределение энергии, минимизацию зон термического воздействия и стабильное качество сварки. Возможность обработки широкого спектра металлов, включая нержавеющую сталь, алюминий и медь, делает её универсальной для отраслей, где точность и прочность играют решающую роль.

По мере роста производственных требований и ужесточения требований к допускам роль сварщиков с волоконным лазером продолжает расти. В этом руководстве мы объясним, как волоконный лазер повышает точность и качество сварных швов.

Волоконный лазерный сварочный аппарат, преобразующий точность и качество сварных швов

Волоконный лазерный сварочный аппарат — это современная технология сварки, использующая интенсивный свет волоконного лазера для плавления и соединения металлов. В волоконном лазерном сварочном аппарате лазерные диоды накачивают энергией оптическое волокно, легированное редкоземельными элементами (например, иттербием), которое преобразует свет накачки в высокоэнергетический сфокусированный лазерный луч. Этот луч доставляется через оптические компоненты (волоконные кабели, коллиматоры, линзы) к небольшой точке на заготовке, где его энергия расплавляет материал и создает сварной шов.

Благодаря возможности точной фокусировки лазерного луча, сварочные аппараты с волоконным лазером позволяют создавать очень узкие и глубокие сварные швы даже на толстых и плотных материалах. Получаемые сварные швы отличаются исключительной прочностью и минимальными зонами термического влияния, что позволяет сохранить свойства окружающего материала. В целом, сварочный аппарат с волоконным лазером сочетает в себе высокую плотность мощности, скорость и точность, что повышает качество сварки по сравнению с традиционными методами.

Преимущества и проблемы

Волоконные лазерные сварочные аппараты обладают рядом преимуществ, способствующих повышению точности и качества сварки. Сфокусированный лазерный луч создаёт исключительно малую сварочную точку, что позволяет точно контролировать сварочную ванну. Эта точность настолько высока, что ширина швов, полученных волоконным лазером, может составлять менее 0.1 мм. Концентрированный поток энергии также обеспечивает минимальное распространение тепла по окружающему металлу, что обеспечивает минимальную зону термического влияния (ЗТВ).

Небольшая зона термического влияния (ЗТВ) ограничивает тепловые деформации и сохраняет прочность основного металла, обеспечивая чистые и прочные сварные швы. На практике производители обнаружили, что волоконные лазеры способны сваривать металлы со скоростью, значительно превышающей скорость сварки традиционными методами. Например, сварка тонких листов нержавеющей стали может достигать десятков миллиметров в секунду, что повышает производительность. Волоконные лазеры также эффективны, часто преобразуя 80–90% электроэнергии в тепло сварки, поэтому они потребляют значительно меньше энергии, чем дуговые сварочные аппараты. Поскольку волоконная сварка — бесконтактный процесс со стабильной подачей лазерного луча, она требует относительно небольшого обслуживания и может быть легко автоматизирована с помощью роботизированных систем.

Несмотря на эти преимущества, необходимо решать определённые проблемы. Системы волоконной лазерной сварки имеют высокую первоначальную стоимость и требуют надлежащих мер безопасности для защиты операторов от интенсивного лазерного луча. Точное выравнивание имеет решающее значение: отклонения в позиционировании деталей или помехи лучу (пыль или пары) могут ухудшить качество сварки. Отражательная способность некоторых металлов (например, меди) также может снижать поглощение лазерного излучения, усложняя настройку сварки. Поэтому пользователям необходимо оптимизировать параметры (мощность, фокусировку, скорость) для каждого материала. Подводя итог, можно сказать, что волоконные лазерные сварочные аппараты значительно повышают точность и стабильность сварки, но требуют тщательного применения с учётом ограничений, связанных с материалом и безопасностью.

Системы волоконной лазерной сварки

Система волоконно-лазерной сварки состоит из нескольких ключевых подсистем, работающих вместе для генерации и передачи лазерного луча, а также для защиты оборудования и оператора. Сердцем системы является лазерный источник, который включает в себя массив лазерных диодов, накачивающих энергию в легированное волокно с усиливающей средой. Источник питания преобразует входящий переменный ток в постоянный, необходимый для работы этих диодов накачки. Когда свет накачки попадает в волокно, легированное редкоземельными элементами (обычно иттербием), он стимулирует атомы легирующей примеси и генерирует когерентное лазерное излучение с определённой длиной волны. Само волокно служит усиливающей средой внутри лазерного резонатора, где свет усиливается.

После генерации лазерный луч выходит из источника и проходит через ряд оптических компонентов. опто-волоконный кабель направляет луч от источника к обрабатывающей головке. В головке находится коллиматорная линза выравнивает расходящийся свет в параллельный луч, и фокусирующая линза Затем луч концентрируется на очень маленькой точке на заготовке. Например, линза с фокусным расстоянием 200 мм позволяет сваривать на таком расстоянии с высокой точностью. В современных системах сканирующая головка С помощью гальванометрических зеркал можно быстро направлять луч по запрограммированным траекториям для создания сложных сварных швов. Некоторые системы также используют «фокус-шифтер» (или 3D-головку), которая динамически корректирует фокусное расстояние в процессе работы, обеспечивая стабильную фокусировку даже на неровных поверхностях.

Помимо основной оптики, сварочная станция волоконного лазера включает в себя: вспомогательные компоненты для поддержки процесса. А механизм подачи проволоки может вводить присадочный металл во время сварки: этот гибридный подход (комбинация лазерной и MIG-подобной подачи) может улучшить качество сварки в случаях с зазорами в стыках или когда требуется дополнительный материал. Часто защитный газ (например, аргон) используется для защиты расплавленной сварочной ванны от окисления. Хотя защитный газ не всегда необходим, он обычно обеспечивает более чистые сварные швы, уменьшая количество дефектов. Система также оснащена электронным контроллер который регулирует параметры (мощность лазера, настройки импульса и т. д.) и управляет защитными блокировками.

Поскольку лазерная сварка может создавать вредные пары и мелкие частицы, большинство установок включают в себя блок вытяжки дыма и фильтры для обеспечения безопасности рабочей среды. Мощные волоконные лазеры генерируют значительное количество тепла, поэтому для поддержания оптимальной рабочей температуры и защиты компонентов используется охлаждающее оборудование (воздушные или водяные охладители). лазерный сварочный монитор (с использованием камер, датчиков или акустических детекторов) также может использоваться для контроля качества сварки в режиме реального времени и выявления любых дефектов. Все эти компоненты в совокупности обеспечивают точность и стабильность работы системы волоконной лазерной сварки.

Непрерывный или импульсный

Волоконные лазеры могут работать в непрерывный Режимы непрерывной сварки (CW) и импульсной сварки имеют свои преимущества для различных сварных швов. В непрерывном режиме лазер излучает непрерывный луч. Лазеры непрерывной сварки, как правило, менее дороги и позволяют создавать более крупные и глубокие сварные швы, поскольку энергия подается равномерно. Это делает их подходящими для общих сварочных задач и сварки материалов большой толщины. В импульсном режиме лазер излучает очень короткие импульсы энергии с высокой пиковой мощностью.

Импульсные лазеры обеспечивают меньшее общее тепловложение, что означает ещё меньшую зону термического влияния (ЗТВ) и возможность сваривать тонкие или термочувствительные детали без повреждений. Импульсные лазеры отлично подходят для точечной сварки и в случаях, когда требуется точный контроль температуры. В целом, непрерывные лазеры лучше подходят для больших и глубоких сварных швов, тогда как импульсные лазеры обеспечивают точное управление и минимальные искажения.

Одномодовое и многомодовое волокно

Выходной луч волоконного лазера также может быть одномодовым или многомодовым, что влияет на размер пятна и распределение энергии. Одномодовые волоконные лазеры создают очень качественный, почти гауссов луч с малым размером пятна и высокой плотностью энергии. Такие лучи идеально подходят для микрообработки и сверхточной сварки, поскольку могут быть сфокусированы в очень узкую точку.

Многомодовые волоконные лазеры излучают более крупный, менее сфокусированный луч с более высокой общей мощностью (но меньшей плотностью энергии). Многомодовые лазеры позволяют сваривать большие поверхности быстрее и подходят для задач средней точности на больших площадях. На практике одномодовые волоконные лазеры обеспечивают наибольшую точность (например, при микросварке выводов аккумуляторных батарей), в то время как многомодовые лазеры сваривают быстрее более крупные детали, хотя и с немного большим размером сварного шва и большей пористостью.

Типы систем волоконной лазерной сварки

Оборудование для волоконной лазерной сварки поставляется в различных форм-факторах, подходящих для различных производственных нужд:

• Ручные лазерные сварочные аппараты: Эти портативные аппараты напоминают традиционные сварочные аппараты с наконечником, похожим на пистолет. Оператору достаточно просто направить луч волоконного лазера на соединение и активировать его. Ручные сварочные аппараты с волоконным лазером стали доступнее и удобнее в использовании, чем когда-либо. Даже операторы с минимальной подготовкой могут быстро выполнять высококачественные сварные швы, поскольку аппарат часто имеет предустановленные параметры. Такая гибкость делает ручные сварочные аппараты с волоконным лазером идеальными для полевого ремонта или небольших мастерских.
• Станции лазерной сварки: Рабочие станции — это полуавтоматизированные системы, обычно используемые для мелкосерийного производства или разработки продукции. На рабочей станции оператор загружает детали в приспособление или кондуктор, а машина выполняет сварку по запрограммированной траектории. Такие установки отлично подходят для обеспечения стабильной точности при изготовлении сложных или повторяющихся деталей. Например, рабочие станции для сварки аккумуляторных батарей используются для сварки модулей электромобилей: оператор запускает процесс, а система последовательно сваривает каждый элемент.
• Роботизированные лазерные сварочные аппараты: Полностью автоматизированные роботизированные сварочные системы используют промышленных роботов для позиционирования лазерной головки или заготовки. Роботизированный манипулятор может перемещать лазер по крупным или сложным узлам (например, кузовным панелям автомобилей или крыльям самолетов) с высокой повторяемостью. Роботизированные сварочные аппараты с волоконным лазером широко используются в автомобильной и аэрокосмической промышленности для высокоточных задач, требующих больших объемов сварки.
• Роботизированная лазерная сварка: В некоторых производственных линиях роботы используются не только для перемещения лазера, но и для захвата и зажима деталей. Например, автоматизированная ячейка может использовать роботизированную руку для загрузки детали, установки зажимов, затем волоконный лазер сваривает соединение; затем робот выгружает готовую деталь. Такие системы минимизируют время простоя и могут включать системы технического зрения для выравнивания. Одним из примеров является роботизированный сварочный аппарат для аккумуляторных батарей: он может использовать камеры для определения местоположения каждой цилиндрической ячейки, а затем сваривать шины на очень высокой скорости (около 100 миллисекунд на сварной шов), пока робот позиционирует каждую деталь. Эти усовершенствованные конфигурации позволяют сварочному аппарату с волоконным лазером масштабироваться в условиях крупносерийного производства с максимальной точностью.

Сварка волоконным лазером в сравнении с другими методами сварки

Волоконная лазерная сварка имеет явные преимущества по сравнению с традиционными методами:

• Лазерная и ультразвуковая сварка: Ультразвуковая сварка использует механические вибрации для соединения деталей и широко применяется при работе с пластиком и тонкими металлами. По сравнению с ультразвуковой сваркой, волоконные лазеры работают гораздо быстрее (например, сварка выводов аккумуляторных батарей в 10 раз быстрее) и обеспечивают более прочные и долговечные соединения. Волоконные лазеры также обеспечивают более точный контроль и более высокую точность, что обеспечивает превосходное качество сварки. В отличие от ультразвука (который не может сваривать толстые детали и в основном ограничен пластичными материалами), лазеры могут соединять широкий спектр металлов и даже разнородные материалы. Однако ультразвуковое оборудование имеет более низкие первоначальные затраты, поэтому каждый метод имеет свою нишу.
• Лазерная сварка против сварки MIG: MIG (сварка металлическим электродом в среде инертного газа) широко применяется во многих металлообрабатывающих заводах. Ключевое отличие заключается в том, что сварочный аппарат с волоконным лазером обеспечивает гораздо более мелкие и чистые сварные швы с меньшим разбрызгиванием. Исследования показывают, что сварочный аппарат с волоконным лазером обеспечивает более высокое качество сварки, чем MIG, в условиях, требующих точности и контроля. Волоконные лазеры также легко автоматизировать и масштабировать, в то время как сварка MIG требует более медленного ручного управления. Компромисс заключается в стоимости и настройке: лазерные системы дороже и сложнее простых установок MIG, поэтому выбор зависит от объёма и требований к точности.
• Лазерная и TIG-сварка: Сварка TIG (дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа) обеспечивает высокое качество сварных швов и эстетичный внешний вид, но является медленной и трудоёмкой. Сварочный аппарат с волоконным лазером, напротив, может быть полностью автоматизирован и, как правило, требует гораздо меньше навыков оператора. Волоконный лазер создаёт очень узкую зону термического влияния (ЗТВ) и глубокое проплавление, уменьшая искажения по сравнению с TIG. Бесконтактный процесс лазерной сварки исключает износ электродов. Для применений, где важен внешний вид (например, видимые соединения нержавеющей стали), TIG может быть предпочтительнее. Однако для многих промышленных задач волоконные лазеры обеспечивают эквивалентную или лучшую целостность сварного шва при более высокой скорости.
• Лазерная и контактная сварка: Контактная сварка (точечная или шовная) использует электрический ток и давление для соединения металлов. Волоконный лазерный сварочный аппарат обеспечивает ещё более точные и тонкие сварные швы с минимальными деформациями, поскольку всё тепло концентрируется именно там, где это необходимо. В отличие от контактной сварки, здесь нет электродов, которые изнашиваются или требуют обслуживания. Волоконные лазеры также легко работают с материалами различной толщины. Оборудование для контактной сварки проще и дешевле для простого соединения листового металла, но волоконные лазеры обеспечивают более высокое качество сварки, что необходимо для точной или высокоскоростной сварки.

Применение лазерной сварки

Благодаря своей точности и гибкости, волоконные лазерные сварочные аппараты используются во многих отраслях промышленности. автомобильное производствоВолоконные лазеры сваривают высокопрочные стали и алюминий в конструкциях кузовов и аккумуляторных батарей. Например, они сваривают рамы автомобилей и аккумуляторные элементы электромобилей, создавая лёгкие и прочные соединения, повышающие топливную экономичность и долговечность. авиационно-космическийВолоконные лазеры сваривают термочувствительные детали (например, титановые лопатки турбин и каркасы самолетов) с минимальными искажениями, что имеет решающее значение для безопасности и производительности.

В электроника В этой отрасли волоконные лазеры позволяют сваривать тонкие провода, разъёмы и хрупкие корпуса. Их сверхточные лучи способны сваривать микрокомпоненты (например, микрочипы или элементы печатных плат), не повреждая соседние схемы. Аналогично, медицинский прибор В производстве используются волоконные лазерные сварочные аппараты для получения чистых, биосовместимых сварных швов. Такие устройства, как имплантаты, хирургические инструменты и имплантаты, часто свариваются лазером, чтобы обеспечить гладкие, стерильные соединения. В таблице ниже (из Laserax) перечислены типичные области применения:

Эти примеры показывают, что волоконные лазерные сварочные аппараты превосходны везде, где требуются высокое качество и точность соединений. Для любых применений, связанных с разнородными металлами или сложной геометрией, волоконные лазеры стали предпочтительным методом соединения.

Растущая роль волоконной лазерной сварки

Поскольку производственные потребности продолжают подталкивать к более быстрому и точному производству, сварочный аппарат с волоконным лазером Готов играть ещё более важную роль в различных отраслях. Достижения в области мощности лазерных источников и передачи луча сделали сварочные аппараты с волоконным лазером пригодными для решения более сложных производственных задач, чем когда-либо прежде. В то же время, их совместимость с робототехникой и автоматизированными модулями позволяет предприятиям повышать производительность, сохраняя при этом стабильное качество сварки.

Волоконные лазеры уже стали незаменимым помощником в таких высокотехнологичных областях, как электромобили и электроника, и эта тенденция будет только расширяться. В долгосрочной перспективе, по мере того, как всё больше отраслей внедряют технологию волоконных лазеров, сварные швы, которые раньше требовали сложной оснастки или ручного труда, теперь можно выполнять надёжно и с минимальными искажениями. Таким образом, сварочные аппараты с волоконными лазерами меняют подход к сварке, обеспечивая непревзойдённую точность, целостность сварных швов и эффективность в современных производственных условиях.