Материалы для лазерной сварки: технологии и особенности обработки

Лазерная сварка — высокотехнологичный метод соединения материалов с минимальной зоной термического влияния и высочайшей точностью. Технология применяется для широкого спектра металлов и пластиков, каждый из которых требует индивидуального подхода к настройке параметров. Разбираемся, какие материалы можно сваривать лазером и какие особенности необходимо учитывать.

Преимущества лазерной сварки

Минимальная зона термического влияния— нагрев локализован в области диаметром 0,5-3 мм, окружающий материал остаётся холодным. Исключается коробление тонких деталей, изменение структуры металла, выгорание легирующих элементов.

Высокая скорость процесса— сварка в 3-5 раз быстрее традиционных методов TIG, MIG/MAG. Автоматизация повышает производительность до 10-15 метров шва в минуту.

Узкий глубокий шов— отношение глубины к ширине достигает 10:1 против 1:1-2:1 у дуговой сварки. Экономия присадочного материала, меньшая деформация деталей.

Эстетичный внешний вид— при правильных параметрах шов гладкий, без брызг и наплывов, не требует зачистки и шлифовки.

Возможность сварки разнородных материалов— соединение стали с медью, алюминия с нержавейкой, титана с никелем, невозможное традиционными методами.

Прецизионность— сварка миниатюрных деталей толщиной от 0,1 мм, ювелирных изделий, электронных компонентов.

Углеродистая сталь

Углеродистая сталь — один из наиболее распространённых материалов для лазерной сварки благодаря хорошей свариваемости и доступности.

Особенности сварки

Низкоуглеродистые стали (содержание углерода до 0,25%) свариваются без особых сложностей. Мощность лазера 1-3 кВт достаточна для сварки листов толщиной 1-6 мм. Шов получается прочным, пластичным, не требует термообработки.

Среднеуглеродистые стали (0,25-0,6% углерода) склонны к образованию закалочных структур в зоне сварки. Требуется предварительный подогрев до 200-300°C для замедления скорости охлаждения. После сварки необходим отпуск при 600-650°C для снятия напряжений и предотвращения трещин.

Высокоуглеродистые стали (более 0,6% углерода) наиболее сложны для сварки. Высокая скорость охлаждения приводит к образованию мартенсита — твёрдой хрупкой структуры, склонной к растрескиванию. Обязателен предварительный подогрев до 300-400°C и послесварочная термообработка.

Параметры процесса

Мощность лазера 1,5-6 кВт в зависимости от толщины металла. Скорость сварки 0,5-3 м/мин для толщин 1-6 мм. Защитный газ — аргон или гелий для предотвращения окисления расплавленного металла. Фокусное расстояние регулируется для обеспечения нужной глубины проплавления.

Применение

Автомобильная промышленность — сварка кузовных панелей, элементов шасси, выхлопных систем. Машиностроение — изготовление корпусных деталей, кронштейнов, рам. Производство труб — продольная и спиральная сварка стальных труб различного диаметра.

Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь широко применяется в аэрокосмической, пищевой, медицинской, химической промышленности благодаря коррозионной стойкости и привлекательному внешнему виду.

Особенности сварки

Аустенитные нержавеющие стали (AISI 304, 316, 321) обладают отличной свариваемостью. Узкая зона термического влияния лазерной сварки минимизирует выпадение карбидов хрома, сохраняя коррозионную стойкость. Шов получается ровным, блестящим, не требует полировки для декоративных изделий.

Ферритные и дуплексные стали требуют более тщательного контроля параметров из-за склонности к росту зерна и охрупчиванию. Применяется повышенная скорость сварки для уменьшения времени нахождения металла при высокой температуре.

Параметры процесса

Мощность лазера 1-4 кВт для толщин 0,5-5 мм. Скорость сварки 1-5 м/мин в зависимости от толщины. Защитный газ — аргон высокой чистоты (99,99%) для предотвращения окисления и потери коррозионной стойкости. Обязательна защита обратной стороны шва аргоном для исключения окисления корня шва.

Применение

Пищевое оборудование — резервуары, трубопроводы, теплообменники из нержавейки. Медицинское оборудование — хирургические инструменты, имплантаты, корпуса приборов. Химическая промышленность — ёмкости для агрессивных сред, трубопроводы. Декоративные изделия — перила, элементы фасадов, мебель.

Алюминий и алюминиевые сплавы

Алюминий применяется в аэрокосмической, автомобильной, судостроительной промышленности благодаря малому весу и высокой удельной прочности.

Особенности сварки

Высокая теплопроводность алюминия (в 4 раза выше стали) требует мощных лазеров для достижения температуры плавления 660°C. Для сварки листов толщиной более 1 мм необходима мощность минимум 2-3 кВт в непрерывном режиме.

Высокая отражательная способность алюминия (до 95% для полированной поверхности) на длине волны CO2-лазера (10600 нм) делает его сварку неэффективной. Волоконные и твердотельные лазеры с длиной волны 1064 нм поглощаются алюминием значительно лучше (отражение 60-70%), обеспечивая стабильный процесс.

Пороговый характер проплавления — расплавление начинается только при достижении плотности мощности около 10⁶ Вт/см². При меньшей плотности энергия рассеивается за счёт теплопроводности быстрее, чем успевает расплавить металл.

Растворимость водорода резко возрастает при нагреве. При кристаллизации шва водород выделяется, образуя поры. Требуется тщательная очистка поверхности от влаги, масел, оксидной плёнки перед сваркой.

Параметры процесса

Мощность лазера 2-6 кВт для толщин 1-5 мм. Импульсный режим с пиковой мощностью до 10 кВт эффективнее непрерывного для алюминия толщиной до 2 мм. Скорость сварки 0,5-2 м/мин. Защитный газ — гелий или аргон-гелиевая смесь для лучшего отвода тепла и предотвращения пористости.

Точная подгонка деталей критична — зазор не должен превышать 5-10% от толщины металла. Большие зазоры приводят к проваливанию расплава и несплавлениям.

Применение

Авиастроение — обшивки фюзеляжей, топливные баки, силовые элементы. Автомобилестроение — кузовные панели, радиаторы, элементы подвески. Судостроение — обшивки корпусов, палубные конструкции из алюминиевых сплавов.

Медь и медные сплавы

Медь применяется в электротехнике, теплообменном оборудовании, декоративных изделиях благодаря высокой электро- и теплопроводности.

Особенности сварки

Высокая теплопроводность меди (в 10 раз выше стали) — основная сложность при сварке. Тепло быстро отводится от зоны сварки, требуются чрезвычайно высокие плотности мощности для расплавления.

Высокая отражательная способность на длине волны CO2-лазера (98-99%) делает сварку медных изделий практически невозможной этим типом лазера. Волоконные лазеры с длиной волны 1064 нм поглощаются медью лучше (отражение 80-85% для полированной поверхности), но всё равно требуют высокой мощности.

Импульсный режим работы волоконного лазера с пиковой мощностью 2,5-5 кВт позволяет сваривать медь толщиной до 1-2 мм. Непрерывный режим мощностью 3-6 кВт обеспечивает сварку до 3-4 мм.

Латунь и бронза свариваются легче чистой меди благодаря меньшей теплопроводности и отражательной способности. Требуемая мощность на 30-50% ниже.

Параметры процесса

Мощность лазера 3-6 кВт для сварки меди, 2-4 кВт для латуни и бронзы. Импульсный режим эффективнее для тонких материалов. Скорость сварки 0,3-1 м/мин для меди, 0,5-2 м/мин для сплавов. Защитный газ — аргон для предотвращения окисления. Поверхность требует предварительной зачистки для удаления оксидов.

Применение

Электротехника — токопроводящие шины, контакты, обмотки трансформаторов. Теплообменное оборудование — трубки радиаторов, теплообменников. Ювелирные изделия — изготовление и ремонт украшений из меди и её сплавов.

Титан и титановые сплавы

Титан применяется в аэрокосмической, химической, медицинской промышленности благодаря высокой удельной прочности и коррозионной стойкости.

Особенности сварки

Активное взаимодействие с кислородом, азотом, водородом при температуре выше 400-500°C требует надёжной защиты инертным газом. Даже минимальное окисление приводит к охрупчиванию шва.

Низкая теплопроводность титана (в 7 раз ниже алюминия) — преимущество для лазерной сварки. Требуется меньшая мощность по сравнению с алюминием той же толщины. Узкая зона термического влияния сохраняет свойства основного металла.

Параметры процесса

Мощность лазера 1-4 кВт для толщин 0,5-5 мм. Скорость сварки 0,5-2 м/мин. Защитный газ — аргон высокой чистоты с обязательной защитой обратной стороны шва и прилегающих областей. Для особо ответственных изделий сварка проводится в камере с аргоном.

Применение

Аэрокосмическая промышленность — элементы планера, детали двигателей. Медицина — имплантаты, хирургические инструменты из титана. Химическое оборудование — ёмкости, трубопроводы для агрессивных сред.

Магниевые сплавы

Магний — самый лёгкий конструкционный металл, применяется в авиастроении, автомобилестроении, электронике.

Особенности сварки

Высокая склонность к окислению с образованием оксида магния (MgO) с температурой плавления 2800°C (вдвое выше температуры плавления самого магния 650°C). Оксидная плёнка препятствует сплавлению металла.

Обязательная предварительная подготовка — травление или механическая зачистка кромок до металлического блеска непосредственно перед сваркой. Оксидная плёнка образуется за минуты на воздухе.

Технология принципиально схожа с алюминием, но плотность оксида магния в 2 раза выше плотности металла, он тонет в сварочной ванне, ухудшая качество шва. Требуется тщательный контроль параметров.

Параметры процесса

Мощность лазера 2-4 кВт для толщин 1-4 мм. Скорость сварки 0,5-2 м/мин. Защитный газ — аргон с добавлением SF6 (0,5-1%) для разрушения оксидной плёнки. Сварка без подкладок благодаря узкой зоне проплавления.

Применение

Авиастроение — элементы планера, узлы шасси из магниевых сплавов. Автомобилестроение — детали рулевого управления, элементы подвески. Электроника — корпуса ноутбуков, планшетов, фотоаппаратов.

Низколегированная высокопрочная сталь

Высокопрочные стали применяются в судостроении, строительстве, производстве кранов, экскаваторов, где требуется сочетание прочности и вязкости.

Особенности сварки

Сталь HY-130 — типичный представитель с пределом текучести 900 МПа после закалки и отпуска. Традиционная дуговая сварка приводит к разнозернистой структуре шва — участки крупного зерна (охрупчивание), мелкого зерна и исходной структуры. Вязкость и трещиностойкость шва значительно ниже основного металла.

Лазерная сварка с узкой зоной термического влияния и высокой скоростью охлаждения формирует мелкозернистую однородную структуру. При правильных параметрах прочность и вязкость шва соответствуют основному металлу.

Чувствительность к холодным трещинам требует контроля скорости охлаждения и содержания водорода. Применяется предварительный подогрев до 100-200°C и низководородные защитные газы.

Параметры процесса

Мощность лазера 3-8 кВт для толщин 3-10 мм. Скорость сварки 0,5-1,5 м/мин. Защитный газ — аргон или гелий. Предварительный подогрев до 100-200°C снижает скорость охлаждения. Послесварочная термообработка не всегда требуется благодаря благоприятной структуре шва.

Пластики и полимеры

Лазерная сварка пластиков применяется в автомобильной, медицинской, электронной промышленности для герметичного соединения деталей.

Особенности сварки

Технология сквозной сварки — верхняя деталь прозрачна для излучения лазера (обычно 800-1100 нм), нижняя поглощает излучение за счёт введённой углеродной сажи. Лазер проходит через верхнюю деталь и нагревает границу раздела, расплавляя оба материала.

Почти все термопласты пригодны для лазерной сварки — полипропилен (PP), полистирол (PS), поликарбонат (PC), АБС, полиамиды (PA), полиметилметакрилат (PMMA), полиэтилентерефталат (PET), полибутилентерефталат (PBT).

Некоторые конструкционные пластики плохо подходят для лазерной сварки из-за низкой прозрачности — полифениленсульфид (PPS), жидкокристаллические полимеры (LCP).

Параметры процесса

Мощность лазера 20-100 Вт в зависимости от толщины и типа пластика. Скорость сварки 1-10 м/мин. Прижимное усилие 0,5-5 МПа для обеспечения контакта деталей. Содержание стекловолокна в армированных пластиках не должно превышать 40% во избежание хрупкости шва.

Применение

Автомобилестроение — фары, фонари, датчики, резервуары для жидкостей. Медицина — одноразовые шприцы, системы переливания, корпуса приборов. Электроника — корпуса датчиков, разъёмов, аккумуляторов.

Защитные газы при лазерной сварке

Защитный газ предохраняет расплавленный металл от окисления, влияет на форму шва, глубину проплавления, стабильность процесса.

Аргон— универсальный защитный газ для большинства материалов. Хорошо защищает от окисления, доступная цена. Обеспечивает стабильную сварочную ванну и гладкий шов.

Гелий— высокая энергия ионизации способствует более глубокому проплавлению. Используется для толстых материалов и сплавов с высокой теплопроводностью. Высокая стоимость ограничивает применение.

Азот— обеспечивает большую глубину проплавления, чем аргон. Низкая стоимость делает его экономичным для серийного производства. Требует точной настройки параметров.

Углекислый газ— для низкоуглеродистых сталей обеспечивает ровные швы. Очень низкая стоимость. Не защищает от окисления нержавеющих сталей и цветных металлов.

Смеси газов— аргон-гелий (30/70) для алюминия, аргон-водород (95/5) для нержавейки повышают качество сварки.

Выбор оборудования для лазерной сварки

Определите основные материалы и их толщины. Для стали и нержавейки толщиной до 3 мм достаточно волоконного лазера 1,5-2 кВт. Для алюминия и меди требуется 3-6 кВт. Для титана оптимален лазер 2-4 кВт.

Оцените требуемую производительность. Ручные сварочные головки подходят для единичного производства и ремонта. Роботизированные системы обеспечивают высокую производительность в серийном производстве.

Учитывайте размеры и геометрию деталей. Компактные настольные станции для мелких изделий, крупногабаритные роботизированные комплексы для автомобильных кузовов и трубопроводов.

Заказать оборудование для лазерной сварки

Нужна консультация по выбору оборудования для лазерной сварки?Лазерторпоможет подобрать оптимальное решение под ваши материалы и задачи.

Свяжитесь с нами:
Сайт: https://lasertor.ru/
Получите расчёт мощности лазера, производительности и окупаемости оборудования.

Лазерная сварка отЛазертор— передовые технологии соединения материалов для вашего производства.