Как работает лазерная сварка?

Основы физики: как лазерная энергия создает сварной шов

Поглощение энергии, пороги плавления и тепловая реакция материала

Когда лазерная сварка начинается, эти интенсивные фотоны попадают на поверхность металла и передают свою энергию электронам внутри. Сначала металлы поглощают лишь небольшую часть этого ближнего инфракрасного света, фактически отражая от 50 до 90 процентов. Но ситуация резко меняется, когда плавление начинается приблизительно при 1500 градусах Цельсия в стальных материалах. Способность поглощать энергию возрастает примерно в десять раз во время этого фазового перехода. То, что вызывает всё это, в значительной степени зависит от плотности мощности. Большинство инженерных сплавов начнут плавиться надёжно при воздействии более чем одного миллиона ватт на квадратный сантиметр. Теплопроводность также играет большую роль в определении количества необходимой энергии. Возьмём, к примеру, медь, у которой теплопроводность составляет 401 ватт на метр Кельвина по сравнению всего с 22 ваттами на метр Кельвина у титана. Это означает, что для меди требуется примерно в три раза больше энергии, чтобы достичь аналогичной глубины плавления. Для сохранения качества сварного шва требуется тщательный контроль температуры. Если пиковые температуры превысят 80 процентов от значения, необходимого для испарения материала, возникают проблемы из-за чрезмерного расширения пара, создающего нежелательную пористость в конечном продукте.

Режим теплопроводности против режима ключевого отверстия: когда и почему возникает каждый из них

Выбор режима сварки отражает основной компромисс между контролем и проникновением:

При сварке в режиме теплопроводности тепло распространяется в стороны через материал, что делает этот метод идеальным для герметизации корпусов аккумуляторов, где необходимо поддерживать низкий уровень тепловложения. Когда интенсивность увеличивается, происходит переход в режим сварки через паровую полость. Давление пара фактически формирует временно отверстие в металле, позволяя лазерному лучу проникать глубже в заготовку. Этот метод способен выполнять однопроходные сварные швы даже в толстой судостроительной стали толщиной около 15 мм, хотя операторам необходимо тщательно контролировать параметры. Большое значение имеют положение луча, уровень мощности и скорость перемещения головки. Если паровая полость разрушается во время сварки — что удивительно часто случается в производственных условиях — образуются нежелательные поры, ослабляющие конечное изделие и требующие доработки.

Основные компоненты лазерной сварочной машины

Источник волоконного лазера: накачка, усиливающая среда и генерация луча

Волоконные лазеры создают яркий, сфокусированный свет, когда полупроводниковые диоды накачивают специальные оптические волокна, содержащие редкоземельные материалы. Этот процесс включает вынужденное излучение внутри этих активных сред, в результате чего формируется стабильный лазерный луч длиной около 1060–1080 нанометров. Этот диапазон длин волн соответствует наиболее эффективному поглощению энергии большинством металлов, что делает его идеальным для промышленного применения. Качество луча также имеет большое значение. При значениях M² ниже 1,1 лучшее качество означает возможность фокусировки лазера в более мелкие пятна и обеспечивает более глубокое проникновение в материал при операциях резки или сварки. Тепловой контроль тоже нельзя игнорировать производителям. Если температура становится слишком высокой, выходная мощность значительно падает — примерно на 15% с каждым повышением на 10 градусов Цельсия сверх проектного уровня, согласно исследованию, опубликованному в журнале Material Processing Journal в прошлом году.

Подача луча, фокусирующая оптика и управление плотностью мощности

Лазерные лучи проходят через гибкие оптические волокна, чтобы достичь различных компонентов подачи, таких как защитные окна, коллиматоры, сканеры на гальванометрических механизмах и специализированные объективы F-theta, которые помогают формировать и фокусировать луч до пятен всего в 20 микрометров. При работе в режиме ключевого отверстия эти лазеры создают плотность мощности более 1 миллиона ватт на квадратный сантиметр, что означает практически мгновенное испарение материалов. Изменение фокусного расстояния лазера или использование методов, таких как круговая осцилляция, помогает сохранять стабильность расплавленной ванны во время сварки и уменьшает нежелательное разбрызгивание. Например, регулировка фокусного расстояния: укорочение увеличивает плотность мощности примерно на 40 процентов, но приводит к более жёстким допускам по глубине резкости. Это требует очень точных систем управления движением для обеспечения высокого качества сварного шва на различных деталях.

Процесс формирования сварного соединения: от облучения до прочного шва

Динамика расплавленной ванны, стабильность ключевого отверстия и микроструктура затвердевания

Когда лазерный луч попадает на материал, он быстро нагревает область выше точки плавления, создавая расплавленную ванну, поведение которой зависит от режима сварки. При сварке с образованием ключевого отверстия давление пара создаёт глубокое узкое отверстие, которое иногда достигает глубины 25 мм. Устойчивость этой полости имеет большое значение для возникновения дефектов, поскольку при чрезмерном её разрушении турбулентность может вызвать поры примерно в 12% всех производственных швов, согласно исследованию, опубликованному в Journal of Materials Processing в прошлом году. Сварка по кондуктивному режиму приводит к образованию значительно более мелких ванн, которые остаются относительно спокойными, без сильного движения жидкости. По мере перемещения лазера металл начинает затвердевать почти мгновенно, поскольку скорость охлаждения превышает один миллион градусов в секунду. Такое невероятно быстрое охлаждение способствует улучшению структуры зёрен и снижению содержания хрупких интерметаллидных соединений, ослабляющих соединения. Испытания показывают, что это делает сварные детали примерно на 30% более пластичными по сравнению с аналогичными деталями, изготовленными традиционными методами дуговой сварки. Получение хороших результатов в значительной степени зависит от контроля формы ключевого отверстия и скорости охлаждения, поэтому правильно настроенная лазерная сварочная система играет большую роль в формировании равномерных зёрен, а не проблемных дендритных структур, в которых концентрируется напряжение.

Почему лазерная сварка обеспечивает точность и высокую производительность

Лазерная сварка достигает высокой точности за счёт фокусировки когерентного света в очень маленькие пятна, иногда менее 0,1 мм в диаметре, при этом расходимость луча остаётся ниже 0,1 градуса. Это позволяет достичь плотности мощности более 1 МВт на квадратный сантиметр, что обеспечивает быстрое плавление материалов именно в нужных местах и минимальную зону термического влияния — около половины миллиметра по сравнению с 5–15 мм при использовании традиционных методов дуговой сварки. В результате детали практически не деформируются, их исходные свойства металла сохраняются, а сложные сплавы, такие как алюминий-литий или нитинол, можно обрабатывать без проблем. Современные системы оснащены полезными функциями, такими как колебание луча и формирование импульсов, которые позволяют управлять течением и затвердеванием расплавленного металла в процессе сварки. В сочетании с промышленными роботами лазерные сварочные установки обеспечивают стабильное получение прочных соединений на удивительных скоростях более 100 мм в секунду, что делает их в 2–10 раз быстрее методов TIG или MIG. Эти системы также справляются с различными сложными положениями и комбинациями материалов, например, соединяя медь с алюминием и тщательно контролируя образование нежелательных интерметаллических слоёв. Производители в таких отраслях, как авиастроение, медицинское оборудование и выпуск электромобилей, отмечают снижение количества брака, меньшую потребность в дополнительной обработке и в целом повышение производительности.