Лазерные технологии

Взаимосвязь между скоростью лазерной сварки, мощностью и толщиной материала имеет решающее значение для определения качества и эффективности процессов сварки. Эти три фактора (скорость сварки, мощность лазера и толщина материала) взаимозависимы и должны быть оптимизированы для получения прочных, бездефектных швов. Понимание их взаимодействия крайне важно для таких отраслей, как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность и производство, где первостепенное значение имеют точность и целостность материала.

Основное введение в лазерную сварочную машину

Лазерная сварочная машина использует импульс лазера с высокой энергией для локального нагрева материала на небольшом участке, за счёт теплопроводности материал плавится и достигается сварка. Принцип её работы в основном включает следующие аспекты:

• Оптическая фокусировка: Лазерная сварочная машина использует лазерный луч, генерируемый лазером, и с помощью линз, зеркал и других оптических компонентов фокусирует лазерную энергию в точке сварки.

• Теплопроводность: Когда лазерный луч попадает на поверхность заготовки, энергия лазера поглощается и преобразуется в тепловую энергию. Эта тепловая энергия постепенно передаётся вдоль проводящей металлической части сварного соединения за счёт теплопроводности, повышая температуру.

• Плавление и смешивание: Когда поверхность металла подвергается достаточной температуре, металл начинает плавиться и образуется расплавленная ванна. Под действием лазерного луча расплавленная ванна быстро распространяется и перемешивается, обеспечивая соединение металлических деталей.

• Охлаждение и затвердевание: После остановки лазерного луча расплавленная ванна постепенно охлаждается и формирует сварное соединение в процессе затвердевания. В процессе кристаллизации молекулы металла перераспределяются и кристаллизуются, образуя прочное сварное соединение.

Преимущества лазерной сварочной машины

• Высокая точность: может достигать точности сварки на уровне микронов, особенно подходит для требований к сварке миниатюрных и сложных конструкций.

• Высокая скорость: особенно в режиме глубокого проплавления, благодаря концентрации лазерной энергии ванна расплава получается узкой и глубокой, что обеспечивает высокую скорость сварки и высокую производительность.

• Малое деформирование: по сравнению с традиционными методами сварки лазерная сварка характеризуется меньшим тепловложением и меньшим влиянием на окружающий материал, что способствует снижению деформации после сварки.

• Узкая зона термического влияния: позволяет снизить тепловое повреждение окружающих материалов и повысить качество сварных соединений.

Мощность лазерной сварки, скорость и толщина материала

1. Источник питания для лазерной сварки

Мощность лазера является определяющим фактором глубины проплавления и общего ввода энергии при сварке. Она определяет количество тепла, необходимого для плавления основных материалов и формирования сварочной ванны. Для более толстых пластин обычно требуется более высокая мощность лазера, чтобы достичь достаточной глубины проплавления, в то время как более тонкие материалы можно защитить от чрезмерного плавления или прожога с помощью более низких настроек мощности.

• Более высокая мощность: обеспечивает более глубокое проплавление, подходит для сварки более толстых материалов. Однако, если мощность на тонкой пластине слишком высока, это может привести к нестабильности образования отверстия, разбрызгиванию и даже дефектам прожога.

• Сниженное энергопотребление: более подходит для тонких пластин, обеспечивает лучший контроль и предотвращает перегрев, вызывающий деформацию материала или его плавление.

Мощность лазера должна тщательно выбираться в зависимости от толщины материала, чтобы обеспечить правильную сплавку и отсутствие дефектов.

2. Скорость сварки

Скорость сварки определяется скоростью, с которой лазер перемещается вдоль сварного шва. Она влияет на тепловой ввод на единицу длины и является ключевым фактором при определении качества сварки. Существует прямая зависимость между скоростью сварки и мощностью лазера: увеличение одного параметра обычно требует корректировки другого для обеспечения желаемых сварочных характеристик.

• Более высокая скорость сварки: уменьшает тепловой ввод на единицу длины сварки, что полезно для тонких материалов и позволяет избежать перегрева и деформации. Однако, если скорость слишком высока при заданной мощности, сварной шов может не иметь достаточного проплавления, что приведёт к слабым соединениям или неполному сплавлению.

• Уменьшение скорости сварки: увеличивает тепловой ввод, чтобы расплавить больше материала и глубже проникнуть в основу. Это выгодно для более толстых листов, но может вызвать перегрев тонких материалов или чрезмерное течение расплавленного металла.

Использование оптимальной скорости сварки имеет решающее значение для балансировки теплового ввода и предотвращения распространённых дефектов сварки (таких как пористость, трещины или деформация).

3. Толщина материала

Толщина сварочных материалов играет ключевую роль в определении требуемой мощности и допустимых скоростей сварки. Более толстые пластины требуют большего количества тепла для достижения полного проплавления, что означает, что лазер должен работать на более высоких уровнях мощности и может потребовать снижения скорости сварки, чтобы обеспечить достаточное время для поглощения тепла. Напротив, более тонкие пластины требуют меньшей мощности и более высоких скоростей, чтобы предотвратить чрезмерный тепловой ввод, который может привести к расплавлению или прожиганию.

• Более толстые пластины: требуется больше энергии для достижения полного проплавления. Лазер должен обеспечивать более высокую мощность, а скорость сварки должна быть ниже, чтобы передать достаточное количество энергии материалу.

• Более тонкие пластины: требуется меньше энергии, поэтому мощность лазера можно снизить, а скорость сварки — увеличить. Тонкие материалы более склонны к деформации, связанной с нагревом, поэтому точное управление этими параметрами имеет решающее значение.

Взаимодействие между силой, скоростью и толщиной

Соотношение между скоростью лазерной сварки, мощностью и толщиной листа требует соблюдения баланса. Для каждой толщины материала существует оптимальное сочетание мощности лазера и скорости сварки, обеспечивающее высокое качество сварного шва, правильную глубину проплавления и минимальное количество дефектов.

Например, при сварке толстых стальных плит увеличение мощности лазера без корректировки скорости сварки может привести к чрезмерному тепловложению, вызывая дефекты, такие как коробление или чрезмерно широкие валики шва. Напротив, снижение скорости сварки без повышения мощности может привести к чрезмерной глубине шва, что потенциально вызывает перегрев материала. Для тонких материалов чрезмерная мощность в сочетании с низкой скоростью сварки может привести к чрезмерному расплавлению или прожогу материала.

Соотношение между скоростью лазерной сварки и толщиной пластины

Для толстых пластин требуется более низкая скорость сварки

При лазерной сварке более толстых листов материал требует большего количества тепла для обеспечения полного проплавления и достаточной прочности соединения. Поэтому важно снизить скорость сварки, чтобы обеспечить достаточное время для передачи энергии лазера по всей толщине материала. Если скорость сварки слишком высока, энергия лазера не сможет полностью проникнуть, что может привести к недостаточной глубине проплавления, разрывам в шве или недостаточной прочности соединения.

• Толстые листы (>6 мм): Скорость сварки должна быть низкой, чтобы обеспечить полное проникновение энергии лазера по всей толщине листа и формирование стабильного и прочного сварного шва.

Тонкие листы можно сваривать быстрее

По сравнению с толстыми пластинами, тонкие листовые материалы (менее 2 мм) требуют меньшего количества тепла, что позволяет лазеру легче проникать на всю глубину. Это обеспечивает более высокую скорость сварки, эффективно предотвращая перегрев или чрезмерное плавление, а также деформацию шва или прожог. Кроме того, повышенная скорость сварки может значительно повысить общую эффективность.

• Тонкая пластина (<2 мм): скорость сварки должна быть высокой, чтобы уменьшить деформацию, прожог и другие дефекты сварки, вызванные перегревом материала.

Влияние мощности лазера на скорость сварки и толщину пластины

Мощность лазера определяет количество вводимой энергии при сварке. Лазеры высокой мощности обеспечивают более сильный тепловой поток, что делает их идеальными для сварки более толстых материалов, тогда как лазеры низкой мощности лучше подходят для тонких пластин. При выборе скорости сварки важно согласовывать мощность лазера с толщиной пластины, чтобы обеспечить достаточное проплавление без перегрева материала.

Сварка толстых пластин лазером высокой мощности

При сварке более толстых пластин требуется более высокая мощность лазера для обеспечения достаточного теплопереноса в материал, чтобы сформировать стабильную расплавленную ванну. В сочетании с меньшей скоростью сварки лазерная энергия может равномерно нагревать материал в течение более длительного времени, обеспечивая глубину проплавления.

• сварка толстой пластины (10 мм) при мощности 6 кВт: скорость сварки обычно составляет от 0,5 до 1,2 м/мин.

Сварка тонкой пластины низкомощным лазером

При сварке тонких пластин использование меньшей мощности и более высокой скорости помогает предотвратить перегрев и деформацию шва. Обычно при мощности лазера в диапазоне 2–3 кВт можно обрабатывать пластины толщиной менее 2 мм.

• сварка тонкой пластины (1 мм) при мощности 2 кВт: скорость сварки обычно составляет от 5 до 10 м/мин.

Таблица сравнения мощности и скорости лазерной сварочной машины

Ниже приведено сравнение мощности лазерной сварочной машины и скорости сварки при различных толщинах пластин:

• Тонкий лист (1-2 мм): сочетание низкой мощности (2-3 кВт) и высокой скорости сварки (5-10 м/мин) подходит для этого типа сварки, обеспечивая быструю работу без чрезмерного выделения тепла.

• Средний и толстый лист (4-6 мм): средняя мощность (4-6 кВт) в сочетании со средней скоростью сварки (1-3 м/мин) позволяет обеспечить глубину проплавления и избежать чрезмерной зоны термического влияния.

• Толстые листы (>6 мм): для толстых листов используйте высокую мощность (8-10 кВт) в сочетании с медленной сваркой (0,5-1 м/мин), чтобы обеспечить достаточное проникновение тепла в материал и образование высокопрочного соединения.

Таблица мощности лазерной сварки, толщины и скорости

Лазерная сварка — это технология точного соединения, обеспечивающая высокоскоростную и высококачественную сварку различных толщин металла. Соотношение между мощностью лазера, толщиной материала и скоростью сварки имеет решающее значение для достижения оптимальных результатов. Это комплексная таблица, содержащая эти параметры для распространённых материалов.

Мягкая сталь

Нержавеющую сталь

Алюминий

Медь

Жёлтый металл

Galvanized Sheet

Заключение

В целом, более толстые пластины обычно требуют более высокой мощности и более медленных скоростей сварки, в то время как тонкие материалы нуждаются в меньшей мощности и более высоких скоростях сварки. Такое тонкое равновесие обеспечивает эффективное использование энергии и высокое качество сварки. Понимание этих взаимосвязей позволяет производителям оптимизировать свои процессы для конкретных применений, материалов и толщин, что приводит к получению более прочных и надежных сварных швов с меньшим количеством дефектов.