Сварочный узел
1. Зазоры и несоосность при сборке.
Качество сборки имеет решающее значение для обеспечения качества сварки. Чрезмерные зазоры или несоосность при сборке могут легко привести к таким дефектам, как прожог, плохое формирование сварного шва и неполное проплавление. Зазор при сборке угловых и стыковых соединений должен быть как можно меньше. В таблице 8-2 приведены требования к зазорам и несоосности при ручной лазерной автогенной сварке.
Для обеспечения заданных размеров заготовки, уменьшения деформации и предотвращения смещения свариваемой зоны из-за крутильных деформаций во время сварки, перед сваркой обычно требуется прихваточная сварка. Для прихваточной сварки при сборке используется тот же метод, что и при основной сварке. Длина прихваточных швов составляет 20–30 мм, а требования к качеству прихваточных швов (например, глубина и ширина проплавления) ниже, чем при основной сварке. Для прихваточной сварки обычно используется более высокая скорость перемещения, чем при основной сварке. Для обеспечения надежного соединения прихваточных швов, они должны быть плоскими, длинными и тонкими, и не должны быть чрезмерно большими, широкими или высокими. Прихваточные швы также должны быть надлежащим образом защищены от окисления.
3. Крепежные элементы и зажимы
Лазерная сварка в основном используется длясварка тонких пластинПри сварке тонких пластин сварка обычно выполняется с лицевой стороны заготовки, при этом на обратной стороне происходит достаточное расплавление для получения качественного обратного шва. При выборе параметров следует учитывать следующее: низкий подвод тепла может привести к неполному проплавлению на обратной стороне; высокий подвод тепла, обеспечивающий полное проплавление на обратной стороне, может привести к прожогу из-за силы тяжести расплавленного металла или непропорциональной ширины расплава относительно толщины заготовки. Для предотвращения прожога, если заготовка допускает зажим, следует использовать приспособления для зажима заготовки во время сварки тонких пластин — прижимая лицевую сторону и размещая медную или нержавеющую стальную подложку на обратной стороне. Это предотвращает изменение зазоров сборки или смещение, вызванное сварочной деформацией, и предотвращает термический коллапс. Если заготовка имеет неравномерное теплоотведение по областям из-за структурных особенностей, использование приспособлений для балансировки теплоотведения также эффективно, поскольку цель состоит в формировании сварных швов с равномерными размерами как с лицевой, так и с обратной стороны.
Выбор параметров сварки
В целом, параметры лазерной сварки включают мощность лазера, ширину лазерного импульса, величину расфокусировки, скорость сварки и защитный газ.
1. Мощность лазера
В лазерной сварке существует пороговая плотность мощности лазера. Ниже этого порога глубина проплавления невелика; после достижения или превышения этого порога глубина проплавления значительно увеличивается. Плазма генерируется только тогда, когда плотность мощности лазера на заготовке превышает пороговое значение, что указывает на стабильную сварку с глубоким проплавлением. Ниже порога происходит только поверхностное плавление (стабильная сварка с теплопроводностью). Вблизи критического состояния для образования сквозного отверстия происходит чередование глубокого проплавления и сварки с теплопроводностью, что приводит к нестабильному процессу с большими колебаниями глубины проплавления. Мощность лазера является одним из наиболее важных параметров в лазерной обработке и ключевым фактором, определяющим глубину проплавления сварного шва. При фиксированном диаметре сфокусированного пятна плотность мощности лазера пропорциональна мощности лазера: более высокая мощность увеличивает глубину проплавления и скорость сварки. Однако чрезмерная мощность вызывает сильный перегрев расплавленной ванны, увеличивает ширину сварного шва и зону термического воздействия (ЗТВ), а также приводит к большему разбрызгиванию, которое может загрязнить сварочную линзу. При высокой мощности поверхностный слой может быть нагрет до точки кипения и значительно испариться в течение микросекунд, что делает его идеальным для процессов удаления материала, таких как сверление, резка и гравировка. При меньшей мощности поверхности требуется миллисекунды для достижения точки кипения, а нижележащий слой плавится раньше, чем поверхность испаряется, что способствует качественной сварке плавлением.
2. Ширина лазерного импульса
Ширина лазерного импульса, или «ширина импульса», является ключевым параметром в импульсной лазерной сварке. Она определяется глубиной проплавления и зоной термического воздействия (ЗТВ): большая ширина импульса увеличивает ЗТВ, а глубина проплавления увеличивается пропорционально квадратному корню из ширины импульса. Однако большая ширина импульса снижает пиковую мощность, поэтому такие импульсы обычно используются для сварки с теплопроводностью, образуя широкие, неглубокие сварные швы — особенно подходящие для нахлесточных соединений тонких и толстых пластин. Однако низкая пиковая мощность приводит к чрезмерному подводу тепла, и для каждого материала существует оптимальная ширина импульса для достижения максимальной глубины проплавления.
3. Выбор величины расфокусировки
Положение фокусируемой точки имеет решающее значение влазерная сваркаКогда фокус находится над поверхностью заготовки, глубина проплавления мала, что затрудняет сварку с глубоким проплавлением. Когда фокус находится под поверхностью, плотность мощности внутри заготовки выше, чем на поверхности, что способствует более интенсивному плавлению и испарению, позволяя энергии передаваться глубже в заготовку и увеличивая глубину проплавления. Существует два режима расфокусировки: положительная расфокусировка (плоскость фокусировки над заготовкой) и отрицательная расфокусировка (плоскость фокусировки под заготовкой). На практике для толстых пластин, требующих большой глубины проплавления, используется отрицательная расфокусировка, при которой фокус лазера обычно находится на 1–2 мм ниже поверхности заготовки. Для тонких пластин предпочтительнее положительная расфокусировка, при которой фокус находится на 1–1,5 мм выше поверхности.
4. Скорость сварки
При фиксированных остальных параметрах глубина проплавления уменьшается с увеличением скорости сварки, в то время как эффективность повышается. Чрезмерно высокие скорости не обеспечивают требуемой глубины проплавления; чрезмерно низкие скорости вызывают переплавление, образование широких сварных швов, перегрев зоны термического влияния и повышенную склонность к образованию горячих трещин.импульсная лазерная сваркаСкорость также определяется максимальной частотой импульсов и требуемым перекрытием пятен — каждое последующее пятно импульса должно в некоторой степени перекрываться. Таким образом, для заданной мощности лазера и толщины материала существует оптимальный диапазон скоростей, в пределах которого достигается максимальная глубина проникновения при определенной скорости.
5. Защитный газ
Инертные газы часто используются для защиты расплавленной ванны во время лазерной сварки. Хотя для некоторых материалов защита от окисления поверхности может не требоваться, в большинстве случаев такая защита необходима. Традиционно для лазерной сварки алюминиевых сплавов используются Ar, N₂ и He для предотвращения окисления. Теоретически, He является самым легким газом с самой высокой энергией ионизации, но при низкой мощности и высоких скоростях плазма слабая, что минимизирует различия между газами. Исследования показывают, что в одинаковых условиях N₂ легче вызывает образование сквозных отверстий из-за экзотермических реакций с Al; образующиеся тройные соединения Al-NO обладают более высоким поглощением лазерного излучения. Однако чистый N₂ образует хрупкие фазы Al-N и поры в сварных швах. Инертные газы, будучи легкими, улетучиваются, не вызывая образования пор, что делает смешанные газы более эффективными. В последнее время увеличилось количество исследований по лазерной сварке алюминия с использованием смесей Ar-O₂ и N₂-O₂.
6. Впитывание материала
Поглощение лазерной энергии материалом зависит от таких свойств, как поглощающая способность, отражательная способность, теплопроводность, температура плавления и температура испарения, при этом поглощающая способность является наиболее важным фактором. Факторы, влияющие на поглощающую способность, включают:
Электрическое сопротивление: для полированных поверхностей коэффициент поглощения пропорционален квадратному корню из удельного сопротивления, которое изменяется с температурой.
Состояние поверхности: существенно влияет на поглощающую способность и, следовательно, на результаты сварки.
Рекомендации и запреты при использовании ручного волоконного лазерного сварочного аппарата
1. Избегайте дугового излучения.
Ручные волоконные лазерные сварочные аппаратыИспользуйте волоконные лазеры класса 4, излучающие излучение с длиной волны (1080±3) нм и выходной мощностью более 1000 Вт (в зависимости от модели). Прямое или непрямое воздействие может повредить глаза или кожу. Хотя луч невидим, он может вызвать необратимое повреждение сетчатки или роговицы. Всегда надевайте сертифицированные защитные очки для работы с лазером. Никогда не смотрите прямо на выходную головку лазера, даже в защитных очках.
2. Настройка параметров сварки
Установите низкую мощность лазера на сенсорном экране (как показано на рисунке 8-2). Приложите медное сопло сварочной головки к заготовке и нажмите кнопку включения горелки для подачи лазерного излучения для сварки. Типичные параметры: частота лазера 5000 Гц, скорость гальванометра 300–600, задержка подачи газа >100 мс, 100% рабочий цикл для непрерывного излучения. Отрегулируйте ширину сварного шва в зависимости от зазоров при сборке; мощность регулируется от 0 до 1000 Вт (0–100% от максимальной). После ввода параметров нажмите «ОК» и сохраните настройки, чтобы они вступили в силу.
4. Не следует чрезмерно увеличивать скорость сварки.
Сварные швы формируются путем перемещения лазерного источника (см. рис. 8-3). Глубина и ширина зависят от скорости и мощности, при этом типичные скорости составляют 1–3 м/мин, что позволяет получать гладкие, безокалиевые поверхности с соотношением сторон <1. При фиксированном токе и напряжении изменение скорости напрямую влияет на подвод тепла, изменяя глубину проплавления и ширину. Чрезмерно высокие скорости приводят к недостаточному нагреву, что ведет к уменьшению глубины проплавления, малой ширине, подрезу, порам и неполному проплавлению.
Механическая очистка: используйте щетки из нержавеющей стали или пневматические шлифовальные круги для удаления оксидов до достижения ярко-белой поверхности. Сварку следует проводить сразу после полировки; повторную полировку следует проводить, если сварка откладывается более чем на 36 часов.
Химическая очистка: удаление оксидов с помощью химических реакций (методы различаются в зависимости от материала). В таблице 8-3 перечислены методы химической очистки алюминиевых сплавов. Удаление масла/пыли с помощью органических растворителей (бензин, изопропиловый спирт) путем замачивания, протирания и сушки.
5. Минимизация пористости
Водородные поры — распространенное явление при лазерной сварке алюминиевых сплавов. Уменьшить их количество можно, удалив поверхностную влагу, масло и оксиды. Увеличение времени охлаждения расплавленной ванны (за счет увеличения длительности импульса) способствует выходу газов, поскольку быстрый термический цикл лазерной сварки ограничивает их выделение. Избегайте положений фокусировки или отрицательной расфокусировки, где интенсивные реакции в расплавленной ванне и испарение сплава увеличивают пористость; используйте более мягкую энергию, отрегулировав расфокусировку, чтобы уменьшить испарение.
6. Обратите внимание на положение факела при держании.
Ручные лазерные горелки (см. рис. 8-4) тяжелее, чем горелки для TIG-сварки, и имеют толстые кабели, что вызывает усталость оператора. При длительной сварке держите горелку обеими руками, следите за тем, чтобы сопло соприкасалось с заготовкой, визуально выравнивайте сварной шов и плавно тяните горелку к себе. Корректируйте положение тела в зависимости от положения при сварке, чтобы минимизировать усталость и количество сварных швов.
7. Предотвращение травм, вызванных лазером.
Неправильная эксплуатация может привести к авариям. Соблюдайте следующие правила:
Во время работы никогда не смотрите прямо на выходной луч лазера.
Не использоватьволоконные лазерыв условиях недостаточного освещения/темноты.
Никогда не направляйте фонарик на людей, когда устройство включено.
Используйте металлические ограждения на расстоянии не более 3 метров от зоны сварки.
Доступ в зону сварки должен быть ограничен только операторами.
Используйте защитное снаряжение (сертифицированные очки, маски, перчатки). Никогда не смотрите на выходную головку лазера, пока он включен, даже в защитных очках.
Обращайтесь с фонарем и кабелем осторожно (минимальный радиус изгиба >200 мм).
Отключайте кнопку лазерного излучения, когда она не используется.
Для эффективной защиты от утечки газа необходимо обеспечить высокое качество форсунок:
Гладкие внутренние стенки, концентричные лазеру.
Для обеспечения стабильного движения горелки незамедлительно заменяйте деформированные сопла.
Размер отверстия сопла (см. рисунок 8-6) влияет на качество сварного шва: большие отверстия увеличивают поток газа, ускоряя затвердевание и повышая риск образования пор/трещин.
8. Избегайте высоких скоростей при работе с легко растрескивающимися сплавами.
Ручная лазерная сваркаИспользуются автогенные, беспроводные, осциллирующие гальванометрические горелки. Высокие скорости снижают глубину проплавления, сужают сварные швы, вызывают подрез и нарушают защиту защитным газом, ухудшая качество сварки. Для сплавов, чувствительных к растрескиванию, следует использовать более низкие скорости.
9. Обеспечение качества соединения
Перепады температур и сварка без проволоки могут привести к прожогам, образованию кратеров или трещин в кратерах. Сварка должна выполняться непрерывно, чтобы минимизировать остановки; если остановки неизбежны (например, изменение положения, сегментированная сварка), немного замедлите скорость (на 10 мм) перед остановкой, чтобы предотвратить образование кратеров. Для обеспечения перекрытия и качества возобновите сварку на расстоянии 20 мм позади предыдущего кратера.
10. Соблюдайте правила безопасного перемещения фонаря.
Тяните горелку к себе (от дальнего расстояния к ближнему), избегая боковых колебаний. Поддерживайте постоянную скорость, контролируя формирование сварного шва. При вертикальной сварке используйте движение вниз (а не вверх), чтобы ускорить затвердевание и обеспечить плавное движение.
11. Избегайте подрезов, мелких угловых швов и разрушения в нахлесточных сварных швах.
При сварке внахлест отрегулируйте угол падения лазера так, чтобы гальванометр покрывал 2/3 вертикальной пластины (см. рис. 8-7). Это расплавит вертикальную пластину (в качестве присадочного материала) и 1/3 основной пластины за счет теплопроводности, образуя после охлаждения сварной шов достаточного размера. Некачественная сварка внахлест ослабляет прочность соединения, снижает сопротивление растрескиванию или приводит к разрушению конструкции — избегайте подрезов.
12. Снижение отражательной способности при сварке алюминиевых сплавов.
Алюминий отражает 60–98% энергии лазера. Коэффициент отражения резко падает при температуре плавления и стабилизируется в расплавленном состоянии. Коэффициент поглощения уменьшается с увеличением угла падения; максимальное поглощение происходит при нормальном падении (необходима корректировка для защиты линзы). Снизить коэффициент отражения можно путем удаления оксидов с помощью механической/химической очистки.
13. Правильное использование защитного газа
Защитный газ влияет на формирование сварного шва, глубину проплавления и ширину шва. Большинство газов улучшают качество, но могут иметь и недостатки:
Аргон: обладает низкой энергией ионизации, высокой способностью к образованию плазмы (снижает эффективность лазера), но при этом инертен, недорог и плотен — эффективно покрывает расплавленный металл (идеально подходит для общего применения).
N₂: Умеренная энергия ионизации (лучше снижает образование плазмы, чем Ar), но реагирует с алюминием/углеродистой сталью, образуя хрупкие нитриды, что снижает ударную вязкость (не рекомендуется для этих материалов). Подходит для нержавеющей стали, где нитриды повышают прочность.
14. Скорость потока защитного газа
Газ подается через сопло под определенным давлением. Гидродинамическая конструкция сопла и диаметр выходного отверстия имеют решающее значение: они должны быть достаточно большими, чтобы покрыть сварной шов, но ограниченными, чтобы предотвратить турбулентный поток (который затягивает воздух и вызывает пористость). Для ручной лазерной сварки типичный расход составляет 7 л/мин. Избыточный поток поднимает загрязнения в расплавленную ванну, ухудшая чистоту газа — выбирайте правильный расход.
15. Положение фокусировки лазера
Положение фокусировки: мельчайшее пятно, максимальная энергия — используйте дляточечная сваркаили с низкой энергией и минимальными требованиями к размеру пятна (см. рисунок 8-8).
Отрицательная расфокусировка: большее пятно (увеличивается с расстоянием от фокуса) — подходит для сварки непрерывным слоем с глубоким проплавлением и точечной сварки с глубоким проплавлением.
Положительная расфокусировка: большее пятно (увеличивается с расстоянием от фокуса) — подходит для герметизации поверхностей или сварки непрерывным потоком с малым проплавлением.
Контроль качества сварки с полным проплавлением: небольшое изменение цвета на обратной стороне указывает на хорошее качество; явные следы/проплавление вызывают разбрызгивание или глубокие бороздки при непрерывной сварке. Настройте фокус, энергию и форму волны в соответствии с образцами. Используйте меньшие пятна для более тонких материалов, чтобы избежать прожога.
Дата публикации: 21 августа 2025 г.
