Методы сварки микро- и мелких деталей. Лазерная сварка — это эффективный и высокоточный метод сварки, использующий лазерный луч высокой плотности энергии в качестве источника тепла. Это одно из важных применений технологии лазерной обработки материалов. В 1970-х годах она в основном использовалась для сварки тонкостенных материалов и низкоскоростной сварки, и процесс сварки относился к типу теплопроводности. В частности, лазерное излучение нагревает поверхность заготовки, а тепло на поверхности рассеивается внутрь за счет теплопроводности. Путем контроля таких параметров, как ширина, энергия, пиковая мощность и частота повторения лазерных импульсов, заготовка расплавляется с образованием определенной зоны расплава. Благодаря своим уникальным преимуществам, этот метод успешно применяется в различных областях.Высокоточная сварка микро- и мелких деталей.Технология лазерной сварки в Китае входит в число передовых мировых технологий. Китай обладает технологией и возможностями для лазерной обработки сложных деталей из титановых сплавов площадью более 12 квадратных метров, и её применение в прототипировании и производстве продукции в рамках многочисленных отечественных исследовательских проектов в области авиации уже состоялось. В октябре 2013 года китайский эксперт по сварке был удостоен премии Брука, высшей академической награды в области сварки, что подтвердило мировой уровень развития лазерной сварки в Китае.
## История разработки Первый в мире лазерный луч был получен в 1960 году путем возбуждения кристаллов рубина импульсной лампой. Ограниченный теплоемкостью кристалла, он мог производить только очень короткие импульсные лучи с низкой частотой. Хотя мгновенная пиковая энергия импульса могла достигать 10^6 Вт, это все еще относилось к низкоэнергетическим показателям. Кристаллический стержень из иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом (Nd:YAG), с неодимом (Nd) в качестве возбуждающего элемента, может генерировать непрерывный одноволновой лазерный луч мощностью 1-8 кВт. YAG-лазер с длиной волны 1,06 мкм может быть подключен к лазерной обрабатывающей головке через гибкое оптическое волокно, что обеспечивает гибкую компоновку оборудования и пригодность для сварки заготовок толщиной 0,5-6 мм. CO₂-лазер, использующий углекислый газ в качестве возбуждающего вещества (с длиной волны 10,6 мкм), может достигать выходной энергии до 25 кВт и обеспечивать однопроходную сварку с полным проплавлением пластин толщиной 2 мм. Он широко используется в металлообработке в промышленном секторе. В середине 1980-х годов лазерная сварка, как новая технология, привлекла широкое внимание в Европе, США и Японии. В 1985 году компании ThyssenKrupp Steel AG (Германия) и Volkswagen AG (Германия) совместно успешно применили лазерную сварку заготовки на кузове Audi 100. В 1990-х годах крупные автопроизводители в Европе, Северной Америке и Японии начали широко использовать технологию лазерной сварки заготовок в производстве автомобильных кузовов. Практический опыт как в лабораториях, так и на автопроизводителях доказал, что лазерная сварка заготовок может успешно применяться в производстве автомобильных кузовов. Лазерная сварка с заданными параметрами использует энергию лазера для автоматической сварки нескольких видов стали, нержавеющей стали, алюминиевых сплавов и т. д. с различными материалами, толщиной и покрытиями в единую пластину, профиль или сэндвич-панель. Это позволяет удовлетворить различные требования к характеристикам материалов компонентов и создать оборудование с минимальным весом, оптимальной конструкцией и наилучшими эксплуатационными характеристиками. В развитых странах, таких как Европа и США,лазерная сварка на заказТехнология лазерной сварки используется не только в производстве транспортного оборудования, но и широко применяется в таких областях, как строительство, мостостроение, производство листового металла для бытовой техники и сварка стальных листов на прокатных линиях (соединение листов в непрерывной прокатке). К числу всемирно известных предприятий, использующих лазерную сварку, относятся Soudonic (Швейцария), ArcelorMittal Group (Франция), ThyssenKrupp TWB (Германия), Servo-Robot (Канада) и Precitec (Германия). Применение технологии лазерной сварки заготовок в Китае только начинается. 25 октября 2002 года в Китае была официально введена в эксплуатацию первая профессиональная коммерческая производственная линия по лазерной сварке заготовок. Она была создана компанией Wuhan ThyssenKrupp Zhongren Laser Tailor Welding от ThyssenKrupp TWB (Германия). Позже производство было последовательно запущено на предприятиях Shanghai Baosteel Arcelor Laser Tailor Welding Co., Ltd., FAW Baoyou Laser Tailor Welding Co., Ltd. и других. В 2003 году зарубежные страны внедрили двухлучевую лазерную сварку с использованием CO₂-лазера и присадочной проволоки.Сварка присадочной проволокой с помощью YAG-лазераДля конструкции нижней стенки фюзеляжа самолета A318 эта технология заменила традиционную клепаную конструкцию, снизив вес фюзеляжа на 20% и сэкономив 20% стоимости. Гун Шуйли считал, что технология лазерной сварки сыграет значительную роль в трансформации и модернизации традиционной авиационной промышленности Китая. Он немедленно подал заявки на ряд соответствующих предварительных исследовательских проектов, организовал исследовательскую группу и возглавил внедрение технологии «двухлучевой лазерной сварки» в исследовательские проекты в Китае. С самого начала он планировал применить эту технологию в авиастроении. Китайская группа экспертов представила предварительную технологию в конструкторский институт авиастроения и рассказала о преимуществах и целесообразности двухлучевой лазерной сварки. После многочисленных проверок и оценок конструкторский институт решил применить эту технологию для изготовления ребристых стенок для определенного самолета, достигнув первоначальной цели применения технологии «двухлучевой лазерной сварки» в авиастроении. Компания совершила прорыв в ключевых технологиях, таких как точное управление лазерной сварочной проволокой для легких сплавов, разработала интегрированное и инновационное гибридное сварочное устройство с двухлучевым лазером и сварочной проволокой, создала первую в Китае мощную платформу для двухлучевой лазерной сварки, реализовала двухлучевую и двухстороннюю синхронную сварку Т-образных соединений в крупных тонкостенных конструкциях и впервые успешно применила ее при сварке ключевых конструктивных элементов ребристых стеновых панелей авиационной техники, сыграв важную роль в разработке новых самолетов Китая. В 2003 году первый в стране крупномасштабный комплект оборудования для онлайн-сварки полос, предоставленный компанией HG Laser, прошел приемку в офлайн-режиме. Это оборудование объединяет лазерную резку, сварку и термообработку, что делает HG Laser одним из четырех мировых предприятий, способных производить подобное оборудование. В 2004 году проект компании HG Laser Farley Laserlab «Технология и оборудование для высокомощной лазерной резки, сварки и комбинированной резки и сварки» получил вторую премию Национальной премии за научно-технический прогресс, став единственным предприятием в Китае, обладающим возможностями в области исследований и разработок данной технологии и оборудования. В связи с быстрым развитием индустрии лазерных технологий, рынок предъявляет более высокие требования к технологиям лазерной обработки. Лазерные технологии постепенно перешли от узкоспециализированного применения к многопрофильному. В области лазерной обработки больше не ограничивается только резкой или сваркой. Растет рыночный спрос на интегрированное оборудование для лазерной обработки, сочетающее резку и сварку, и, таким образом, появилось многофункциональное оборудование для лазерной резки и сварки. Компания HG Laser Farley Laserlab разработала интегрированный станок для резки и сварки Walc9030 сверхбольшого формата 9×3 метра, который в настоящее время является крупнейшим в мире интегрированным оборудованием для лазерной резки и сварки. Walc9030 — это крупноформатное оборудование для резки и сварки, объединяющее в себе...функции лазерной резки и лазерной сваркиОборудование оснащено профессиональной режущей и сварочной головками, причем обе обрабатывающие головки используют один луч. Технология числового программного управления обеспечивает отсутствие взаимного влияния. Оборудование может одновременно выполнять два процесса: резку и сварку. Возможно свободное переключение между режимами «сначала резка, затем сварка» или «сначала сварка, затем резка», что позволяет реализовать функции лазерной резки и сварки на одном оборудовании без необходимости в дополнительном оборудовании. Это позволяет производителям оборудования экономить средства, повышать эффективность и расширять диапазон обработки. Более того, благодаря интеграции резки и сварки, гарантируется полная точность обработки, а производительность оборудования эффективна и стабильна. Кроме того, удалось преодолеть проблемы термической деформации пластин при сварке сверхбольших листов и обеспечить стабильную работу оптических путей сверхдлинных линий. Оборудование может одновременно сваривать две плоские пластины длиной 6 метров и шириной 1,5 метра, при этом сваренная поверхность получается гладкой и ровной без дополнительной постобработки. В то же время, он может резать пластины шириной 3 метра, длиной более 6 метров и толщиной менее 20 мм за один процесс формовки без вторичного позиционирования. Шэньянский институт автоматизации Китайской академии наук осуществлял международное сотрудничество с корпорацией IHI (Япония). Следуя национальной стратегии научно-технического развития «внедрение, освоение, усвоение и переосмысление», он преодолел ряд ключевых технологических препятствий.лазерная сварка на заказВ сентябре 2006 года компания разработала первый в Китае полный комплект производственных линий для лазерной сварки, а также успешно создала роботизированную систему лазерной сварки, позволяющую осуществлять лазерную сварку плоских и пространственных кривых. В октябре 2013 года китайский эксперт по сварке получил премию Брука, высшую академическую награду в области сварки. Институт сварки (TWI, Великобритания) ежегодно рекомендует и номинирует кандидатов из более чем 4000 организаций-членов в более чем 120 странах и в итоге присуждает эту премию одному эксперту в знак признания его выдающегося вклада в науку и технологию сварки или соединения и ее промышленное применение. Эта награда является не только признанием заслуг Гун Шуйли и его команды, но и подтверждением роли AVIC в содействии прогрессу технологий соединения материалов.
## Структурные параметры
### Рабочее оборудование Оно состоит из оптического генератора и среды, расположенной между зеркалами на обоих концах резонатора генератора. Когда среда возбуждается до высокоэнергетического состояния, она начинает генерировать синфазные световые волны, которые отражаются друг от друга между зеркалами на обоих концах, образуя фотоэлектрический эффект конкатенации. Это усиливает световые волны, и при достижении достаточной энергии испускается лазерный луч. Лазер также можно определить как устройство, преобразующее первичные источники энергии, такие как электрическая энергия, химическая энергия, тепловая энергия, световая энергия или ядерная энергия, в пучки электромагнитного излучения определенных оптических частот (ультрафиолетовый свет, видимый свет или инфракрасный свет). Это преобразование легко может быть осуществлено в некоторых твердых, жидких или газообразных средах. Когда эти среды возбуждаются в виде атомов или молекул, они производят световой луч с почти одинаковой фазой и почти одной длиной волны — лазер. Благодаря синфазному свойству и одной длине волны, угол расходимости очень мал, и излучение может передаваться на большие расстояния, прежде чем оно будет сильно сконцентрировано, что позволяет использовать его для таких задач, как сварка, резка и термообработка. ### Классификация лазеров Для сварки используются два основных типа лазеров: CO₂-лазеры и Nd:YAG-лазеры. Оба типа лазеров, CO₂-лазеры и Nd:YAG-лазеры, излучают невидимый невооруженным глазом инфракрасный свет. Луч, генерируемый Nd:YAG-лазером, представляет собой в основном ближний инфракрасный свет с длиной волны 1,06 мкм. Теплопроводники имеют относительно высокую степень поглощения света с этой длиной волны, а для большинства металлов коэффициент отражения составляет 20–30%. Ближний инфракрасный луч может быть сфокусирован до диаметра 0,25 мм с помощью стандартных оптических линз. Луч CO₂-лазера представляет собой дальний инфракрасный свет с длиной волны 10,6 мкм. Большинство металлов имеют коэффициент отражения 80–90% для этого типа света, поэтому для фокусировки луча до диаметра 0,75–1,0 мм требуются специальные оптические линзы. Мощность Nd:YAG лазеров обычно достигает 4000–6000 Вт, а максимальная мощность в настоящее время составляет 10 000 Вт. В отличие от них, мощность CO₂-лазеров легко достигает 20 000 Вт и даже выше. Мощные CO₂-лазеры решают проблему высокого коэффициента отражения за счет эффекта «замочной скважины». Когда поверхность материала, облучаемая световым пятном, плавится, образуется «замочная скважина». Эта «замочная скважина», заполненная паром, подобна черному телу, которое поглощает почти всю энергию падающего света. Равновесная температура внутри «замочной скважины» достигает около 25 000 °C, и коэффициент отражения быстро снижается в течение нескольких микросекунд. Хотя основное внимание в разработке CO₂-лазеров по-прежнему уделяется созданию оборудования и исследованиям, речь уже не идет об увеличении максимальной выходной мощности, а об улучшении качества луча и его фокусировки. Кроме того, при использовании аргона в качестве защитного газа для CO₂-лазерной сварки мощностью более 10 кВт часто возникает сильная плазма, что снижает глубину проплавления. Поэтому в качестве защитного газа для высокомощной CO₂-лазерной сварки часто используется гелий, который не генерирует плазму. Применение комбинаций диодных лазеров для возбуждения высокомощных кристаллов Nd:YAG является важной темой исследований и разработок, которая значительно улучшит качество лазерных лучей и позволит создать более эффективную лазерную обработку. Использование прямых диодных матриц для возбуждения и излучения лазеров в ближнем инфракрасном диапазоне позволило достичь средней мощности 1 кВт и эффективности фотоэлектрического преобразования почти 50%. Диоды также имеют более длительный срок службы (10 000 часов), что помогает снизить затраты на техническое обслуживание лазерного оборудования. Развитие оборудования для создания твердотельных лазеров с диодной накачкой (DPSSL) также продвигается вперед.
Дата публикации: 27 августа 2025 г.
