Лазерна технологія

Зв'язок між швидкістю лазерного зварювання, потужністю та товщиною матеріалу має вирішальне значення для визначення якості та ефективності процесів зварювання. Ці три фактори (швидкість зварювання, потужність лазера та товщина матеріалу) взаємозалежні й повинні бути оптимізовані для отримання міцних, бездефектних зварних швів. Розуміння їхньої взаємодії є важливим для галузей, таких як автомобілебудування, авіаційно-космічна промисловість та виробництво, де першорядне значення мають точність і цілісність матеріалу.

Основний огляд лазерного зварювального обладнання

Лазерний зварювальний апарат використовує імпульс лазера з високою енергією для локального нагрівання матеріалу на невеликій ділянці, через теплопровідність матеріал плавиться, що забезпечує зварювання. Його принцип роботи включає такі основні аспекти:

• Оптичне фокусування: Лазерний зварювальний апарат використовує промінь лазера, який створюється лазером, за допомогою лінз або дзеркал та інших оптичних компонентів, щоб сфокусувати лазерну енергію в точці зварювання.

• Теплопровідність: Коли лазерний промінь потрапляє на поверхню заготовки, енергія лазера поглинається та перетворюється на теплову енергію. Ця теплова енергія поступово передається вздовж металевої провідної частини зварного шва через теплопровідність, підвищуючи температуру.

• Плавлення та змішування: Коли поверхня металу досягає достатньо високої температури, метал починає плавитися, утворюючи розплавлений басейн. Під дією лазерного променя розплавлений басейн швидко поширюється та змішується, забезпечуючи з'єднання металевих частин.

• Охолодження та затвердіння: Після зупинки лазерного променя розплавлений басейн поступово охолоджується і утворює зварне з'єднання під час процесу кристалізації. У процесі затвердіння молекули металу перегруповуються та кристалізуються, утворюючи міцне зварне з'єднання.

Переваги лазерної сварки

• Висока точність: може забезпечити зварювання з точністю до мікронів, особливо підходить для зварювання мініатюрних та складних конструкцій.

• Висока швидкість: особливо у режимі глибокого проплавлення, завдяки концентрації лазерної енергії, ванна розплаву невелика за площею, але глибока, що забезпечує високу швидкість зварювання та високу продуктивність.

• Мала деформація: порівняно з традиційними методами зварювання, лазерне зварювання має нижчий вхідний тепловий рівень і менший вплив на навколишній матеріал, що сприяє зменшенню деформації після зварювання.

• Мала зона термічного впливу: дозволяє зменшити тепловий вплив на навколишні матеріали та покращити якість зварних з'єднань.

Потужність лазерного зварювання, швидкість та товщина матеріалу

1. Джерело живлення для лазерного зварювання

Потужність лазера є вирішальним фактором, що визначає глибину проникнення зварного шва та загальний вхідний енергетичний рівень під час зварювання. Вона визначає кількість тепла, необхідного для плавлення основних матеріалів і утворення зварної ванни. Для товстіших плит, як правило, потрібна більша потужність лазера, щоб досягти достатньої глибини проникнення, тоді як тонші матеріали можна захистити від надмірного плавлення або прожогів за допомогою нижчих налаштувань потужності.

• Вища потужність: дозволяє досягти більшої глибини проникнення, підходить для зварювання товстіших матеріалів. Однак, якщо потужність на тонкій пластині занадто висока, це призведе до нестабільності отвору, розбризкування металу та навіть дефектів прожогу.

• Знижена витрата потужності: більш підходить для тонших пластин, забезпечуючи кращий контроль і запобігання перегріву, що може спричинити деформацію або плавлення матеріалу.

Потужність лазера слід ретельно підбирати залежно від товщини матеріалу, щоб забезпечити належне злиття та відсутність дефектів.

2. Швидкість зварювання

Швидкість зварювання вказує на швидкість, з якою лазер рухається уздовж зварного шву. Вона впливає на кількість тепла, поданого на одиницю довжини, і є ключовим фактором для визначення якості зварювання. Існує пряма залежність між швидкістю зварювання та потужністю лазера: збільшення одного параметра зазвичай вимагає коригування іншого для підтримки бажаних характеристик зварювання.

• Вища швидкість зварювання: зменшує кількість тепла на одиницю довжини зварювання, що є перевагою для тонких матеріалів і запобігає перегріву та деформації. Однак, якщо швидкість занадто висока для заданої потужності, зварний шов може мати недостатню проникну здатність, що призведе до слабких з'єднань або неповного сплавлення.

• Зниження швидкості зварювання: збільшує подачу тепла, щоб більше розплавити матеріал і глибше проникнути в основу. Це має переваги для товстих плит, але може призвести до перегріву тонких матеріалів або надмірного розтікання розплавленого металу.

Використання оптимальної швидкості зварювання має важливе значення для балансування подачі тепла та уникнення поширених дефектів зварювання (таких як пористість, тріщини або деформація).

3. Товщина матеріалу

Товщина зварювальних матеріалів відіграє ключову роль у визначенні необхідної потужності та допустимих швидкостей зварювання. Для більш товстих пластин потрібно більше тепла, щоб досягти повного проникнення, а це означає, що лазер повинен працювати на вищих рівнях потужності та можливо зменшити швидкість зварювання, щоб забезпечити достатній час для поглинання тепла. Навпаки, тонші пластини вимагають меншої потужності та вищих швидкостей, щоб запобігти надмірному нагріву, який може призвести до плавлення або прожогу.

• Товсті пластини: потрібно більше енергії для досягнення повного проникнення. Лазер повинен забезпечувати вищу потужність, а швидкість зварювання має бути нижчою, щоб передати достатню кількість енергії матеріалу.

• Тонкі пластини: потрібно менше енергії, тому потужність лазера можна знизити, а швидкість зварювання — збільшити. Тонкі матеріали більш схильні до деформації, пов’язаної з нагріванням, тому точне регулювання цих параметрів є критичним.

Взаємодія між силою, швидкістю та товщиною

Співвідношення між швидкістю лазерного зварювання, потужністю та товщиною листа є процесом балансування. Для кожної товщини матеріалу існує оптимальне поєднання потужності лазера та швидкості зварювання, щоб забезпечити високу якість зварювання, правильну глибину проплавлення та мінімальну кількість дефектів.

Наприклад, під час зварювання товстих сталевих плит збільшення потужності лазера без коригування швидкості зварювання може призвести до надмірного введення тепла, що спричинить дефекти, такі як деформація або надто широкі зварювальні валики. Навпаки, зменшення швидкості зварювання без підвищення потужності може призвести до занадто глибокого проплавлення, що загрожує перегрівом матеріалу. Для тонких матеріалів надмірна потужність у поєднанні з повільною швидкістю зварювання може призвести до надмірного розплавлення або прожогів матеріалу.

Співвідношення між швидкістю лазерного зварювання та товщиною пластини

Для товстих пластин потрібна менша швидкість зварювання

Під час лазерного зварювання товстих пластин матеріал потребує більше тепла для досягнення повного проплавлення та забезпечення належної міцності з'єднання. Тому дуже важливо знизити швидкість зварювання, щоб надати достатньо часу променю лазера для передачі тепла по всій товщині матеріалу. Якщо швидкість зварювання занадто висока, лазерна енергія не зможе повністю проникнути, що може призвести до недостатньої глибини проплавлення, розривів у шві або низької міцності з'єднання.

• Товсті пластини (>6 мм): швидкість зварювання має бути низькою, щоб забезпечити повне проникнення лазерної енергії по всій товщині пластини для утворення стабільного та міцного зварного шву.

Тонкі пластини можна зварювати швидше

Порівняно з товстими пластинами, тонкі листові матеріали (менше 2 мм) потребують менше тепла, що дозволяє лазерам легше проникати через усю товщину. Це дозволяє досягти більшої швидкості зварювання, яка ефективно запобігає перегріву або надмірному плавленню, уникнувши таким чином деформації зварного шву або прожогів. Крім того, вища швидкість зварювання може значно покращити загальну ефективність.

• Тонка пластина (<2 мм): швидкість зварювання має бути високою, щоб зменшити деформацію, прожоги та інші дефекти зварювання, спричинені перегрівом матеріалу.

Вплив потужності лазера на швидкість зварювання та товщину пластини

Потужність лазера визначає кількість енергії, що подається під час зварювання. Лазери високої потужності забезпечують сильніший тепловий вихід, що робить їх ідеальними для зварювання товстіших матеріалів, тоді як лазери низької потужності краще підходять для тонких пластин. Під час вибору швидкості зварювання важливо узгоджувати потужність лазера з товщиною пластини, щоб забезпечити достатнє проплавлення без перегріву матеріалу.

Зварювання товстих пластин лазером високої потужності

Під час зварювання товстіших пластин потрібна вища потужність лазера, щоб забезпечити достатній теплопередачу в матеріал для утворення стабільного розплавленого басейну. У поєднанні з нижчою швидкістю зварювання лазерна енергія може рівномірно нагрівати матеріал протягом довшого періоду часу, забезпечуючи глибину сплавлення.

• зварювання товстої пластини потужністю 6 кВт (10 мм): швидкість зварювання зазвичай становить 0,5–1,2 м/хв.

Лазерне зварювання тонких пластин з низькою потужністю

Під час зварювання тонких пластин нижча потужність і вища швидкість допомагають запобігти перегріву та деформації зварного шва. Зазвичай, коли потужність лазера становить 2–3 кВт, можна обробляти пластини товщиною менше 2 мм.

• зварювання тонкої пластини потужністю 2 кВт (1 мм): швидкість зварювання зазвичай становить 5–10 м/хв.

Таблиця порівняння потужності та швидкості лазерного зварювального апарату

Нижче наведено порівняння потужності лазерного зварювального апарату та швидкості зварювання за різної товщини пластин:

• Тонка пластина (1-2 мм): поєднання низької потужності (2-3 кВт) та високої швидкості зварювання (5-10 м/хв) є оптимальним для цього типу зварювання, забезпечуючи швидку роботу без надмірного виділення тепла.

• Середня та товста пластина (4-6 мм): середня потужність (4-6 кВт), поєднана із середньою швидкістю зварювання (1-3 м/хв), дозволяє забезпечити глибину проплавлення та уникнути надмірної зони термічного впливу.

• Товсті пластини (>6 мм): для товстих пластин слід використовувати високу потужність (8-10 кВт) разом із повільним зварюванням (0,5-1 м/хв), щоб забезпечити достатнє проникнення тепла в матеріал і сформувати з'єднання з високою міцністю.

Таблиця потужності лазерного зварювання, товщини та швидкості

Лазерне зварювання — це технологія точного з'єднання, яка забезпечує високоякісне зварювання на великій швидкості для різних товщин металу. Співвідношення між потужністю лазера, товщиною матеріалу та швидкістю зварювання має вирішальне значення для досягнення оптимальних результатів. Це комплексна таблиця, що детально описує ці параметри для поширених матеріалів.

М'яка сталь

Нержавіючу сталь

Алюміній

Мідь

Жовтий метал

Оцинкований лист

Висновок

Отже, товстіші пластини, як правило, потребують більшої потужності та повільніших швидкостей зварювання, тоді як тонші матеріали потребують меншої потужності та вищих швидкостей зварювання. Ця делікатна рівновага забезпечує ефективне використання енергії та високу якість зварювання. Розуміння цих взаємозв'язків дозволяє виробникам оптимізувати свої процеси для конкретних застосувань, матеріалів і товщин, що призводить до міцніших, надійніших зварних швів із меншою кількістю дефектів.