Які обмеження мають лазерні зварювальні машини?

Лазерні зварювальні машини — це вид обладнання, яке використовує лазерні промені високої густини енергії для з'єднання матеріалів. Завдяки концентрованій енергії, контрольованому внесенню тепла та стабільній формі зварного шву, їх широко використовують для з'єднання металевих конструкційних деталей та прецизійних компонентів. На практиці лазерне зварювання має значні переваги, але також має певні обмеження.

I. Переваги лазерного зварювання
1. Висока щільність енергії

Лазерний промінь має високу густину потужності, що дозволяє миттєво утворити зону розплавлення в локальній області для досягнення глибокого проникнення або зварювання за рахунок теплопровідності. Застосовується для виробів, де потрібен суворий контроль зони термічного впливу.

2. Низький вхідний тепловий вплив і мінімальна деформація

Лазерне зварювання характеризується низьким загальним тепловкладом і вузькою зоною термічного впливу (ЗТВ), що зменшує деформацію виробів і робить його придатним для тонкостінних деталей та прецизійних компонентів.

3. Висока швидкість зварювання

Лазерне зварювання забезпечує високу швидкість процесу, підходить для автоматизованих виробничих ліній і підвищує ефективність виробництва.

4. Висока якість зварного шву

Шов вузький, має високе співвідношення глибини до ширини та стабільне проплавлення, відповідає вимогам до високоміцних зварних з'єднань.

5. Обробка без контакту

Під час зварювання зварювальна головка не торкається виробу, що робить метод придатним для складних конструкцій або з'єднань, які важко доступити.

II. Обмеження лазерних зварювальних машин
1. Високі вимоги до точності складання

Лазерний промінь має малий розмір плями та чутливий до зазорів у зварюванні, точності позиціонування та розмірних допусків. Надмірний зазор може призвести до нестабільного розплавленого басейну, неповного зварювання або його руйнування.

2. Чутливість до стану поверхні матеріалу

Матеріали з високою відбивною здатністю (наприклад, мідь, алюміній, золото та срібло) мають низьке поглинання інфрачервоних лазерів, що легко призводить до відбиття та недостатнього зв'язування енергії. Забруднення поверхні маслом та оксидні шари також впливають на стабільність зварювання.

3. Висока вартість обладнання

Джерело лазера, оптичні компоненти та системи охолодження є дорогими. Витрати на обслуговування та заміну оптичних компонентів вищі, ніж для традиційного зварювального обладнання.

4. Високі вимоги до робочого середовища

Лазерні системи потребують середовища з постійною температурою та мають уникати потрапляння пилу та олійного туману в оптичний шлях. Для потужних машин потрібні системи чилерів та стабільне електроживлення.

5. Суворі вимоги до захисту безпеки

Випромінювання лазера, бризки та відбитий світло можуть становити потенційну небезпеку. Оператори повинні користуватися захисними окулярами та використовувати огородження або світлові безпечністьі екрани.

6. Ускладнений огляд зварного шву

Зварювання з глибоким проникненням утворює вузькі та глибокі шви, що ускладнює візуальне виявлення внутрішніх дефектів — таких як пори, усадкові раковини та непровар. Потрібно використовувати рентгенівське або ультразвукове неруйнівне випробування.

7. Обмеження при зварюванні товстих плит

Для матеріалів, що перевищують певну товщину, однопрохідне зварювання не забезпечує повного проникнення. Може знадобитися багатопрохідне зварювання або гібридне лазерно-дугове зварювання.

8. Схильність до утворення тріщин у певних матеріалах

Сталь з високим вмістом вуглецю, загартована сталь і чавун схильні до гарячого або холодного тріщинутворення під час лазерного зварювання. Потрібне попереднє нагрівання, контрольоване охолодження або регулювання форми хвилі.

III. Застосовні матеріали та обмеження щодо матеріалів
Призначені матеріали:

1. Нержавіюча сталь

2. Вуглецева сталь

3.Алюміній і алюмінієві сплави

4. Мідь та мідні сплави

5. Нікелеві сплави

6. Титанові сплави

7. Тонколистові металеві матеріали

Обмеження щодо матеріалів:

1. Матеріали з високою відбивною здатністю (мідь, алюміній) потребують синіх/зелених лазерів або більшої густини потужності.

2. Високовуглецева сталь і в’язкий чавун потребують попереднього нагрівання або зварювання з керуванням формою хвилі.

3. Неметалеві матеріали (пластмаси, кераміка) потребують різних типів лазерів (наприклад, СО₂ або пікосекундних лазерів).

IV. Типові сфери застосування лазерного зварювання

1. Прецизійне виробництво: зварювання електронних компонентів, герметизація датчиків, зварювання виводів літій-іонних акумуляторів.

2. Автомобілебудування: зварювання каркасів кузовів, високоміцної сталі, корпусів акумуляторів.

3. Аерокосмічна промисловість: зварювання тонкостінних деталей із нікелевих і титанових сплавів.

4. Медичні прилади: зварювання мікроприладів із нержавіючої сталі та титану.

5. Виробництво устаткування: посуд, металеві корпуси, ручки та інші тонколистові компоненти.

6. Галузь нових джерел енергії: зварювання мідно-алюмінієвих струмопровідних елементів, зварювання пакетів статорів електродвигунів.

V. Вимоги до робочого середовища

1. Стабільна внутрішня температура (зазвичай 15–30 °C)

2. Помірна вологість для запобігання конденсації

3. Чисте повітря, вільне від пилу та олійного туману

4. Стабільне електроживлення без коливань напруги

5. Система чилера для підтримки температури лазера та зварювальної головки

6. Зона лазерної безпеки з належними засобами захисту

Лазерні зварювальні машини пропонують високу швидкість, високу точність, низькі зони термічного впливу та придатність для автоматизації. Вони підтримують широкий спектр металевих матеріалів і ефективні для застосування у високоточному зварюванні. Однак вони вимагають високої точності складання, певних умов матеріалів та контрольованих параметрів навколишнього середовища, а також пов’язані з вищими витратами на обладнання та його технічне обслуговування. Деякі матеріали схильні до утворення тріщин або мають проблеми з передачею енергії. На практиці необхідно вибирати відповідні типи лазерів та зварювальні процеси залежно від характеристик матеріалу, конструкції компонентів, товщини та виробничих вимог