Ознайомлення з лазерним зварювальним апаратом
Лазерне зварювання — це універсальний і точний процес, що використовується для з'єднання металевих деталей у різних галузях промисловості. Ця техніка передбачає застосування концентрованих лазерних променів для плавлення та з'єднання матеріалів, забезпечуючи міцні та високоякісні зварні шви. Лазерні зварювальні апарати, оснащені сучасними лазерними технологіями, є обладнанням, призначеним для виконання цього процесу, забезпечуючи високу точність і ефективність. У цій комплексній статті розглянуто всі аспекти лазерних зварювальних апаратів, включаючи принцип роботи, компоненти, переваги, сфери застосування, типи, обслуговування та майбутні тенденції.
Що таке лазерна сварочна машина?
Лазерне зварювання — це процес безконтактного з'єднання двох матеріалів за допомогою високонапруженого лазерного променя. Лазерний промінь фокусується на невеликій ділянці, створюючи достатню кількість тепла для плавлення матеріалів, які потім затвердівають, утворюючи міцне з'єднання. Ця техніка відома своєю точністю, швидкістю, здатністю зварювати малі та складні компоненти та мінімальним деформуванням.
Принцип роботи лазерного зварювання
Лазерне зварювання — це метод зварювання, що використовує лазерний промінь із високою густиною енергії як джерело тепла; його принцип включає переважно такі аспекти:
Оптичний фокус: Зварювальний апарат лазера генерує лазерний промінь за допомогою лазера та фокусує його за допомогою оптичних елементів, таких як лінзи чи дзеркала, завдяки чому енергія лазера концентрується на зварювальній ділянці.
Передача тепла: Коли лазерний промінь потрапляє на поверхню виробу, енергія лазера поглинається та перетворюється на теплову енергію. Тепло поширюється вздовж металевої частини зварного з'єднання, підвищуючи температуру металу.
Плавлення та змішування: Коли поверхня металу нагрівається до достатньо високої температури, метал починає плавитися й утворюється розплавлена ванна. Під дією лазерного променя розплавлена ванна швидко поширюється та змішується, забезпечуючи з'єднання металевого зварного шву.
Охолодження та затвердіння: Після зупинки лазерного променя розплавлена ванна поступово охолоджується, і під час процесу кристалізації утворюється зварне з'єднання. У процесі затвердіння молекули металу перегруповуються та кристалізуються, утворюючи міцний зварний шов.
Лазерне зварювання має переваги, такі як висока густина енергії, малий вхід тепла, висока швидкість зварювання та мала зона термічного впливу, що особливо підходить для зварювання мініатюрних деталей і деталей із поганим доступом.
Компоненти лазерного зварювального апарату
Лазерне Джерело
Типи лазерів: Поширені типи включають лазери CO2, Nd (леговані неодимом іттрієво-алюмінієвий гранат) лазери та волоконні лазери. Кожен тип має свої переваги залежно від сфери застосування.
Функція: джерело лазера генерує лазерний промінь для зварювання. Це ключовий компонент, який визначає потужність і ефективність машини.
Оптика
Лазерний промінь та дзеркало: використовуються для фокусування та спрямування лазерного променя на заготовку. Високоякісні оптичні компоненти забезпечують точне керування лазерним променем.
Система передачі променя: включає компоненти, такі як оптичне волокно та канал променя, які передають лазерний промінь від джерела до зони зварювання.
Система обробки заготовки
Стіл позиціонування: платформа для розміщення заготовки. Може бути нерухомою або оснащеною функцією руху для вирівнювання заготовки щодо лазерного променя.
Механізм затискання: фіксує заготовку, щоб запобігти її рухові під час зварювання.
Навар
ЧПУ-керування: системи числового програмного керування (ЧПК) часто використовуються в автоматизованих процесах зварювання для точного керування параметрами зварювання та рухом лазерного променя.
Програмний інтерфейс: забезпечує інтерфейс для оператора, щоб вводити параметри зварювання та контролювати процес.
Канал охолодження
Водяне або повітряне охолодження: лазерне зварювання генерує багато тепла й потребує системи охолодження, щоб запобігти перегріву джерела лазера та оптичних компонентів.
Захисна оболонка
Захисні заходи: корпус захищає оператора від лазерного випромінювання та утримує шкідливий дим або уламки, що утворюються під час зварювання.
Типи лазерних зварювальних апаратів
Машини для зварювання волоконним лазером
Хірургія: використовується волоконне лазерне джерело для передачі лазерного променя через волокно.
Переваги: висока якість променя, висока енергоефективність, придатність для зварювання різноманітних матеріалів.
CO2 лазерний зварювальний апарат
Хірургія: використовується CO2-ексимерне джерело для генерації лазерного променя шляхом електричного збудження газової суміші.
Переваги: високий вихідний потужність і здатність зварювати товсті матеріали.
ND лазерний зварювальний апарат
Хірургія: Використовуючи ND-джерело збудження, лазерний промінь створюється шляхом легування неодимом кристала ітрію-алюмінієвого гранату.
Переваги: висока пікова потужність, підходить для імпульсного зварювання.
Діодний лазерний зварювальний апарат
Хірургія: Джерело діодного лазера використовується для генерації лазерного променя через напівпровідниковий діод.
Переваги: невеликі розміри, енергозбереження, можливість зварювання дрібних прецизійних деталей.
Переваги та недоліки лазерного зварювального апарату
Переваги лазерної сварки
Лазерні зварювальні апарати мають багато переваг і добре підходять для різноманітних промислових застосувань. Ці переваги включають точність, швидкість, універсальність і загальну якість. Ось детальний огляд переваг лазерних зварювальних апаратів:
Точність і акуратність
Жорсткі допуски: Лазерні зварювальні апарати можуть забезпечувати надзвичайно жорсткі допуски, що є критично важливим для застосувань, які вимагають високої точності.
Мала зона термічного впливу (HAZ): Лазерний промінь є висококонцентрованим, утворюючи невелику зону термічного впливу. Це мінімізує теплову деформацію та зменшує ризик пошкодження сусідніх матеріалів.
Зварювання швидке
Підвищення продуктивності: Лазерне зварювання може виконуватися на високій швидкості, значно підвищуючи продуктивність і скорочуючи цикл виробництва.
Функції автоматизації: Процес може бути легко автоматизований за допомогою системи ЧПК та робота, що додатково підвищує швидкість і стабільність.
УНІВЕРСАЛЬНІСТЬ
Сумісність матеріалів: лазерне зварювання сумісне з різноманітними матеріалами, включаючи різні метали (сталь, алюміній, титан тощо), сплави, а також деякі пластмаси.
Складна геометрія: Цей процес дозволяє зварювати складні геометричні форми, які важко досягти традиційними методами зварювання.
Відмінна якість з'єднань
Міцні зварні шви: Лазерне зварювання може створювати високоміцні зварні шви з чудовими механічними властивостями, забезпечуючи довговічність і надійність.
Чисті та естетичні зварні шви: зварні шви зазвичай чисті та привабливі, і потребують лише незначної остаточної обробки. Це особливо важливо для застосувань, де вигляд має критичне значення, наприклад, у автомобільній промисловості та ювелірній справі.
Мінімальне спотворення
Зменшення термічного напруження: концентровані джерела тепла можуть мінімізувати термічні напруження та деформацію, зберігаючи цілісність заготовки.
Точний контроль: лазером можна точно керувати, щоб забезпечити мінімальну деформацію тонких матеріалів.
Гнучкість
Процес без контакту: лазерне зварювання — це процес без фізичного контакту між інструментом та заготовкою. Це зменшує знос обладнання та дозволяє здійснювати зварювання в важкодоступних місцях.
Регульовані параметри: параметри процесу (потужність лазера, швидкість, фокусування тощо) можна легко налаштовувати для різних матеріалів і товщин.
Енергоефективність
Ефективне використання енергії: Лазерні зварювальні апарати, особливо ті, що використовують волоконні лазери, дуже енергоефективні. Вони перетворюють велику кількість електроенергії на лазерне випромінювання.
Зниження експлуатаційних витрат: З часом енергоефективність означає нижчі експлуатаційні витрати.
Автоматизація та інтеграція
Безшовна інтеграція: Систему лазерного зварювання можна безшовно інтегрувати в автоматизовану виробничу лінію для підвищення загальної ефективності виробництва.
Роботизоване зварювання: Точність і контроль лазерного зварювання роблять його ідеальним вибором для застосування в роботизованих зварювальних процесах, забезпечуючи безперервну роботу та високе виробництво.
Зменшення витратних матеріалів
Мінімальне використання витратних матеріалів: На відміну від традиційних методів зварювання, які потребують наповнювальних матеріалів і електродів, лазерне зварювання зазвичай потребує незначної кількості або взагалі не потребує витратних матеріалів.
Економія коштів: Зменшення використання витратних матеріалів дозволяє економити кошти та зменшити необхідність поповнення запасів.
Підвищення безпеки та чистоти
Функції безпеки: Сучасні лазерні зварювальні машини оснащені функціями безпеки, такими як захисний корпус і блокувальний пристрій, щоб захищати операторів від шкідливого лазерного випромінювання.
Процес очищення: Порівняно з традиційними методами зварювання, цей процес утворює менше диму та бризок, що забезпечує чистіше робоче середовище.
Екологічна вигода
Екологічність: Ефективність і точність лазерного зварювання зменшують відходи та споживання енергії, роблячи його екологічно чистим варіантом.
Стійке виробництво: Лазерне зварювання сприяє стійким виробничим практикам, мінімізуючи відходи матеріалів і підвищуючи енергоефективність.
Недоліки лазерних зварювальних машин
Хоча лазерні зварювальні машини мають багато переваг, існують і деякі недоліки, які слід враховувати. Ось основні недоліки лазерних зварювальних машин:
Високі початкові витрати
Висока вартість обладнання: Лазерні зварювальні машини часто коштують дорожче, ніж традиційне зварювальне обладнання, через їхні передові технології та компоненти.
Вартість лазерних джерел: лазерні джерела високої якості, такі як волоконні лазери та ND-лазери, збільшать загальну вартість.
Складне встановлення: налагодження системи лазерного зварювання може бути складним і вимагає експертних знань.
Вимоги до інфраструктури: для встановлення може знадобитися додаткова інфраструктура, наприклад, системи охолодження, захисні корпуси та сучасні системи вентиляції.
Технічна складність
Професійне навчання: оператори повинні пройти спеціалізоване навчання для роботи та програмування лазерних зварювальних машин.
Складне програмування: налагодження та програмування системи ЧПК може бути складним і вимагає знань у програмному забезпеченні CAD/CAM та параметрах зварювання.
Експертність у технічному обслуговуванні: обслуговування лазерного зварювального обладнання вимагає кваліфікації та навичок.
Періодична калібрування: для підтримки точності необхідна регулярна калібрування та налаштування лазерної системи.
Чутливість підготовки та складання з'єднувачів
Підготовка з'єднання: зварювання лазером вимагає точного підготовлення та вирівнювання з'єднання. Навіть незначні відхилення можуть призвести до поганої якості зварювання.
Точність співвісності: процес має низьку допустиму похибку щодо зазорів і невирівняності, тому вимагає точного закріплення та позиціонування.
Обмеження за товщиною матеріалу
Обмеження діапазону товщини: лазерне зварювання більш придатне для тонких і середніх за товщиною матеріалів. Зварювання дуже товстих матеріалів може вимагати кількох проходів або попереднього підігріву.
Відведення тепла: для товстих матеріалів управління відведенням тепла стає складнішим, що може вплинути на якість зварювання.
Проблема безпеки
Ризик опромінення: існує ризик впливу шкідливого лазерного випромінювання під час лазерного зварювання, що може спричинити серйозні ураження очей і шкіри.
Захисні заходи: комплексні заходи безпеки, такі як захисний корпус, окуляри та протоколи безпеки при роботі з лазерами, є вкрай важливими.
Шкідливий дим: процес утворює шкідливий дим та частинки, що вимагає ефективної вентиляції та систем відсмоктування диму.
Уламки: лазерні промені високої інтенсивності можуть утворювати уламки та бризки, що створює додаткові небезпеки для безпеки.
Сумісність матеріалів обмежена
Проблема відбивання: матеріали з високою відбивною здатністю, такі як алюміній та мідь, можуть відбивати лазерні промені, ускладнюючи та знижуючи ефективність зварювання.
Спеціальне покриття: для поліпшення зварюваності відбивних матеріалів може знадобитися спеціальне покриття або обробка поверхні.
Чутливість сплавів: певні сплави можуть мати специфічні труднощі під час лазерного зварювання, пов’язані з утворенням тріщин, пористістю або металургійними змінами.
Хоча лазерні зварювальні машини пропонують значні переваги у точності, швидкості та універсальності, вони також мають кілька недоліків. Основні недоліки включають високу початкову вартість, технічну складність, чутливість до підготовки з'єднань та проблеми безпеки. Крім того, при впровадженні технології лазерного зварювання необхідно ретельно враховувати такі фактори, як обмеження за товщиною матеріалу, проблеми сумісності та екологічні вимоги.
Застосування лазерної сварки
Автомобільна промисловість
Зварювання компонентів: використовується для зварювання деталей двигуна, коробки передач, вихлопної системи та інших автомобільних частин.
Конструкція кузова: кузов автомобіля зварюється за допомогою лазера, щоб забезпечити міцне та легке з'єднання.
Аерокосмічна промисловість
Компоненти літаків: використовуються для зварювання критичних компонентів літаків, включаючи лопаті турбін, паливні баки та конструкційні елементи.
Точність: висока точність лазерного зварювання забезпечує цілісність і продуктивність авіаційних компонентів.
Електронна промисловість
Мікрозварювання: лазерне зварювання ідеально підходить для мікрозварювальних застосувань у галузі електроніки, наприклад, для з'єднання тонких дротів та складання прецизійних компонентів.
Виробництво акумуляторів: використовується для виробництва акумуляторів, забезпечуючи міцне та надійне з'єднання.
Виробництво медичних пристроїв
Імпланти та інструменти: лазерне зварювання використовується для виготовлення медичних імплантів та хірургічних інструментів, забезпечуючи точні та чисті зварні шви.
Біосумісність: процес забезпечує біосумісність зварного шву та відповідність суворим медичним стандартам.
Ювелірні вироби та годинникове виробництво
Тонке зварювання: лазерне зварювання використовується для тонкого зварювання в ювелірній справі та годинниковому виробництві, дозволяючи створювати складні конструкції та виконувати ремонт.
Естетична якість: забезпечує високоякісне зварювання, підкреслюючи красу ювелірних виробів та годинників.
Енергетична галузь
Сонячні панелі: використовуються у виробництві сонячних панелей для забезпечення довговічних та ефективних з'єднань.
Вітрові турбіни: лазерне зварювання використовується для виготовлення компонентів вітрових турбін, забезпечуючи міцне та надійне з'єднання.
Робота лазерного зварювального обладнання
Налаштування
Підготовка: очистіть заготовку та підготуйте її до зварювання, щоб забезпечити якість зварного шву.
Установлення: розмістіть заготовку на позиційному столі та надійно зафіксуйте її за допомогою пристосування.
Програмування
Введення параметрів: оператор вводить у систему керування конкретні параметри зварювання, такі як потужність лазера, швидкість, тривалість імпульсу та положення фокусу.
Програмування траєкторії: траєкторії зварювання зазвичай програмуються за допомогою ПЗ CAD/CAM для точного спрямування лазерного променя вздовж потрібного зварного шву.
Порядок зварювання
Генерація променя: джерело збудження створює лазерний промінь, який через оптичні елементи спрямовується на зону зварювання.
Плавлення та зварювання: сфокусований лазерний промінь плавить матеріал у місці з'єднання, утворюючи ванну розплаву, яка потім затвердіває, утворюючи зварний шов.
Керування рухом: система ЧПК керує рухом лазерного променя і/або заготовки, щоб точно слідувати запрограмованій траєкторії зварювання.
Після зварювання
Охолодження: після зварювання дайте з'єднанню повністю охолонути та затвердіти.
Перевірка: Перевірте якість зварювального шву, наявність пор, тріщин або неповного зварювання та інших дефектів.
Обслуговування лазерного зварювального обладнання
Регулярне прибирання
Оптична частина: Очищайте лінзи, дзеркала та інші оптичні компоненти, щоб забезпечити оптимальну якість лазерного променя.
Робоча зона: Підтримуйте чистоту робочої зони, усуньте сміття, щоб запобігти забрудненню лазерного променя та заготовки.
Підтримка системи охолодження
Перевірка рівня охолоджуючої рідини: Регулярно перевіряйте та доливайте охолоджувальну рідину, щоб запобігти перегріву лазерного джерела та оптичних компонентів.
Перевірка системи охолодження: Перевірте наявність витоків у системі охолодження та переконайтесь, що вона працює належним чином.
Калібрування та вирівнювання
Калібрування лазера: Регулярно калібруйте лазерне джерело, щоб забезпечити правильну потужність та якість променя.
Налаштування оптики: Перевірте та відрегулюйте положення оптичних елементів для забезпечення точного проходження променя.
Оновлення програмного забезпечення
Оновлення програмного забезпечення керування: Підтримуйте програмне забезпечення CNC у актуальному стані, щоб мати доступ до найновіших функцій та покращень.
Програма резервного копіювання: Програма зварювання регулярно резервуються, щоб запобігти втраті даних і забезпечити швидке відновлення у разі проблем із програмним забезпеченням.
Майбутні тенденції лазерного зварювання
Прогрес в лазерній технології
Лазери більшої потужності: Розробка джерел лазерів більшої потужності для зварювання товстіших, складніших матеріалів.
Покращення якості променя: Досягнення в технології лазерів покращили якість і точність променя.
Інтеграція у промисловість 4.0
Підключення до Інтернету речей: Інтеграція Інтернету речей (IoT) для моніторингу та керування процесом лазерного зварювання в реальному часі.
Аналіз даних: Використання аналізу даних для оптимізації параметрів зварювання та підвищення якості й ефективності.
Автоматизація та робототехніка
Інтеграція роботів: Усе частіше використовуються роботизовані системи для автоматизації лазерного зварювання, щоб зменшити обсяги ручної праці та підвищити продуктивність.
Колаборативні роботи: Розробка колаборативних роботів (коботів), які можуть працювати разом з операторами людьми в застосунках лазерного зварювання.
Стійкий розвиток
Енергоефективність: Продовжувати роботу над підвищенням енергоефективності лазерних зварювальних машин для зменшення їхнього впливу на навколишнє середовище.
Зелене виробництво: Використання сталих методів виробництва, у тому числі екологічно чистих матеріалів і процесів.
Висновок
Лазерні зварювальні машини є основою сучасного виробництва, відомі своєю точністю, швидкістю та універсальністю у з'єднанні металевих деталей. Їхні передові технології та можливості автоматизації зробили їх незамінними в таких галузях, як автомобілебудування, авіація, електроніка та медичне обладнання. З належним обслуговуванням та відповідністю новітнім тенденціям ці машини зможуть і надалі задовольняти постійно змінювані вимоги виробництва. Із розвитком технологій лазерне зварювання має стати ще важливішим чинником у формуванні майбутнього промислового виробництва.
