Методи зварювання мікро- та дрібних деталей. Лазерне зварювання – це ефективний та точний метод зварювання, який використовує лазерний промінь високої щільності енергії як джерело тепла. Це одне з важливих застосувань технології лазерної обробки матеріалів. У 1970-х роках його в основному використовували для зварювання тонкостінних матеріалів та низькошвидкісного зварювання, а процес зварювання належав до типу теплопровідності. Зокрема, лазерне випромінювання нагріває поверхню заготовки, а тепло на поверхні дифундує всередину завдяки теплопровідності. Контролюючи такі параметри, як ширина, енергія, пікова потужність та частота повторення лазерних імпульсів, заготовка плавиться, утворюючи специфічну розплавлену ванну. Завдяки своїм унікальним перевагам, воно успішно застосовується для...точне зварювання мікро- та дрібних деталей.Китайська технологія лазерного зварювання є однією з передових у світі. Вона має технологію та можливості формувати складні компоненти з титанових сплавів площею понад 12 квадратних метрів за допомогою лазера та була застосована у виробництві прототипів та виробів у багатьох вітчизняних авіаційних дослідницьких проектах. У жовтні 2013 року китайський експерт зі зварювання отримав премію Брука, найвищу академічну нагороду в галузі зварювання, що підтвердило світовий рівень лазерного зварювання Китаю.
## Історія розробки Перший у світі лазерний промінь був згенерований у 1960 році шляхом збудження кристалів рубіна за допомогою лампи-спалаху. Обмежений теплоємністю кристала, він міг генерувати лише дуже короткі імпульсні промені з низькою частотою. Хоча миттєва пікова енергія імпульсу могла сягати 10^6 Вт, вона все ще належала до низькоенергетичних. Кристалічний стрижень з легованого неодимом ітрій-алюмінієвого гранату (Nd:YAG) з неодимом (Nd) як збуджуючим елементом може генерувати безперервний лазерний промінь з однією довжиною хвилі потужністю 1-8 кВт. YAG-лазер з довжиною хвилі 1,06 мкм може бути підключений до лазерної обробної головки через гнучке оптичне волокно, що забезпечує гнучке компонування обладнання та придатність для зварювання заготовок товщиною 0,5-6 мм. CO₂-лазер, що використовує вуглекислий газ як збудник (з довжиною хвилі 10,6 мкм), може досягати вихідної енергії до 25 кВт та здійснювати однопрохідне повне зварювання пластин товщиною 2 мм. Він широко використовується в металообробці в промисловому секторі. В середині 1980-х років лазерне зварювання, як нова технологія, привернуло широку увагу в Європі, Сполучених Штатах та Японії. У 1985 році ThyssenKrupp Steel AG (Німеччина) та Volkswagen AG (Німеччина) співпрацювали, щоб успішно впровадити першу у світі лазерно зварну заготовку на кузові Audi 100. У 1990-х роках великі виробники автомобілів у Європі, Північній Америці та Японії почали широко використовувати технологію лазерно зварних заготовок у виробництві кузовів автомобілів. Практичний досвід як лабораторій, так і виробників автомобілів довів, що лазерно зварні заготовки можуть бути успішно застосовані у виробництві кузовів автомобілів. Лазерне зварювання на замовлення використовує лазерну енергію для автоматичного зрощування та зварювання кількох видів сталей, нержавіючих сталей, алюмінієвих сплавів тощо з різною товщиною та покриттям в єдину пластину, профіль або сендвіч-панель. Це відповідає різним вимогам до матеріалів компонентів та дозволяє отримати обладнання з найменшою вагою, оптимальною структурою та найкращими характеристиками. У розвинених країнах, таких як Європа та Сполучені Штати,лазерне зварювання на замовленнявикористовується не лише у виробництві транспортного обладнання, але й широко застосовується в таких галузях, як будівництво, мости, виробництво зварювальних листів для побутової техніки та зварювання сталевих листів на прокатних лініях (з'єднання листів при безперервній прокатці). Серед всесвітньо відомих підприємств лазерного зварювання є Soudonic (Швейцарія), ArcelorMittal Group (Франція), ThyssenKrupp TWB (Німеччина), Servo-Robot (Канада) та Precitec (Німеччина). Застосування технології лазерного зварювання заготовок у Китаї щойно розпочалося. 25 жовтня 2002 року перша в Китаї професійна комерційна виробнича лінія для лазерного зварювання заготовок була офіційно введена в експлуатацію. Її представила компанія Wuhan ThyssenKrupp Zhongren Laser Tailor Welding від ThyssenKrupp TWB (Німеччина). Пізніше послідовно були запущені у виробництво Shanghai Baosteel Arcelor Laser Tailor Welding Co., Ltd., FAW Baoyou Laser Tailor Welding Co., Ltd. та інші підприємства. У 2003 році зарубіжні країни реалізували двопроменеве зварювання присадним дротом CO₂ лазером та...Зварювання присадним дротом YAG-лазерадля конструкції нижньої стінової панелі з алюмінієвого сплаву A318. Ця технологія замінила традиційну клепану конструкцію, зменшивши вагу фюзеляжу літака на 20% та заощадивши 20% вартості. Гун Шуйлі вважав, що технологія лазерного зварювання відіграватиме значну роль у трансформації та модернізації традиційної авіаційної промисловості Китаю. Він негайно подав заявки на низку пов'язаних переддослідницьких проектів, організував дослідницьку групу та взяв на себе ініціативу у впровадженні технології «двопроменевого лазерного зварювання» в дослідницькі проекти в Китаї. З самого початку він планував застосувати цю технологію в літакобудуванні. Китайська команда експертів повідомила про попередню технологію інституту проектування літаків та прорекламувала переваги та доцільність двопроменевого лазерного зварювання. Після численних перевірок та оцінок, проектний інститут вирішив застосувати цю технологію для виготовлення ребристих стінових панелей для певного літака, досягнувши початкової мети застосування технології «двопроменевого лазерного зварювання» в літакобудуванні. Компанія прорвала ключові технології, такі як точне керування лазерним зварювальним присадним дротом для легких сплавів, розробила інтегрований та інноваційний гібридний зварювальний пристрій з двопроменевим лазерним присадним дротом, створила першу в Китаї потужну платформу для двопроменевого лазерного зварювання присадним дротом, реалізувала двопроменеве та двостороннє синхронне зварювання таврових з'єднань у великих тонкостінних конструкціях та вперше успішно застосувала його для зварювального виробництва ключових конструкційних деталей ребристих стінових панелей авіації, відігравши важливу роль у розробці нових літаків Китаю. У 2003 році перший вітчизняний великомасштабний комплект обладнання для онлайн-зварювання смуг, наданий HG Laser, пройшов автономне приймання. Це обладнання поєднує лазерне різання, зварювання та термічну обробку, що робить HG Laser одним з четвертих підприємств у світі, здатних виробляти таке обладнання. У 2004 році проект «Високопродуктивна лазерна різання, зварювання та комбінована технологія та обладнання для обробки різання та зварювання» від HG Laser Farley Laserlab отримав другу премію Національної премії за науково-технічний прогрес, що зробило його єдиним лазерним підприємством у Китаї з дослідницьким та розробницьким потенціалом цієї технології та обладнання. Зі швидким розвитком промислової лазерної галузі ринок висунув вищі вимоги до технології лазерної обробки. Лазерна технологія поступово перейшла від одноразового застосування до диверсифікованого. Що стосується лазерної обробки, вона більше не обмежується одноразовим різанням або зварюванням. Попит на ринку на інтегроване обладнання для лазерної обробки, яке поєднує різання та зварювання, зростає, і тому з'явилося інтегроване обладнання для лазерного різання та зварювання. HG Laser Farley Laserlab розробила інтегровану машину для різання та зварювання Walc9030 надвеликого формату 9×3 метри, яка наразі є найбільшим у світі інтегрованим обладнанням для лазерного різання та зварювання. Walc9030 - це широкоформатне обладнання для різання та зварювання, яке інтегрує...функції лазерного різання та лазерного зварюванняВін оснащений професійною ріжучою головкою та зварювальною головкою, причому дві обробні головки використовують один промінь. Технологія числового керування гарантує, що вони не заважають одна одній. Обладнання може одночасно виконувати два процеси, що потребують різання та зварювання. Воно може вільно перемикатися між різанням спочатку, а потім зварюванням, або зварюванням спочатку, а потім різанням, реалізуючи функції лазерного різання та зварювання за допомогою одного обладнання без необхідності додаткового обладнання. Це економить витрати на обладнання для виробників застосувань, підвищує ефективність обробки та діапазон обробки. Більше того, завдяки інтеграції різання та зварювання, точність обробки повністю гарантована, а робота обладнання є ефективною та стабільною. Крім того, воно подолало труднощі термічної деформації пластин під час зварювання надвеликих пластин та стабільно реалізувало наддовгі оптичні шляхи. Воно може зварювати дві плоскі пластини довжиною 6 метрів та шириною 1,5 метра одночасно, а зварена поверхня гладка та рівна без додаткової постобробки. Водночас воно може різати пластини шириною 3 метри, довжиною понад 6 метрів та товщиною менше 20 мм за один процес формування без вторинного позиціонування. Шеньянський інститут автоматизації Китайської академії наук здійснив міжнародне співробітництво з корпорацією IHI (Японія). Дотримуючись національної стратегії науково-технологічного розвитку «впровадження, засвоєння, поглинання та реінновації», він подолав кілька ключових технологійлазерне зварювання на замовлення, у вересні 2006 року розробила перший у Китаї комплект повних виробничих ліній для лазерного зварювання на замовлення та успішно розробила роботизовану систему лазерного зварювання, що реалізує лазерне зварювання плоских та просторових кривих. У жовтні 2013 року китайський експерт зі зварювання отримав премію Брука, найвищу академічну нагороду в галузі зварювання. Інститут зварювання (TWI, Велика Британія) щороку рекомендує та висуває кандидатів з понад 4000 підрозділів-членів у понад 120 країнах, і, нарешті, присуджує цю премію одному експерту на знак визнання його видатного внеску в науку та технологію зварювання або з'єднання та їх промислове застосування. Ця нагорода є не лише визнанням Гун Шуйлі та його команди, але й підтвердженням ролі AVIC у сприянні розвитку технології з'єднання матеріалів.
## Структурні параметри
### Робоче обладнання Воно складається з оптичного генератора та середовища, розміщеного між дзеркалами на обох кінцях резонатора генератора. Коли середовище збуджується до високоенергетичного стану, воно починає генерувати синфазні світлові хвилі, які відбиваються туди-сюди між дзеркалами на обох кінцях, утворюючи ефект фотоелектричної конкатенації. Це підсилює світлові хвилі, і коли отримується достатня енергія, випромінюється лазер. Лазер також можна визначити як пристрій, який перетворює первинні джерела енергії, такі як електрична енергія, хімічна енергія, теплова енергія, світлова енергія або ядерна енергія, в електромагнітні пучки випромінювання певних оптичних частот (ультрафіолетове світло, видиме світло або інфрачервоне світло). Це перетворення можна легко здійснити в певних твердих, рідких або газоподібних середовищах. Коли ці середовища збуджуються у вигляді атомів або молекул, вони створюють світловий промінь майже з однаковою фазою та майже з однією довжиною хвилі – лазер. Завдяки своїй синфазній властивості та одній довжині хвилі кут розбіжності дуже малий, і він може передаватися на велику відстань, перш ніж бути висококонцентрованим для виконання таких функцій, як зварювання, різання та термічна обробка. ### Класифікація лазерів Для зварювання використовуються два основних типи лазерів, а саме CO₂-лазери та Nd:YAG-лазери. Як CO₂-лазери, так і Nd:YAG-лазери – це невидиме для неозброєного ока інфрачервоне світло. Промінь, що генерується Nd:YAG-лазером, – це переважно ближнє інфрачервоне світло з довжиною хвилі 1,06 мкм. Теплопровідники мають відносно високий коефіцієнт поглинання світла цієї довжини хвилі, і для більшості металів коефіцієнт відбиття становить 20%-30%. Ближній інфрачервоний промінь можна сфокусувати до діаметра 0,25 мм за допомогою стандартних оптичних лінз. Промінь CO₂-лазера – це далеке інфрачервоне світло з довжиною хвилі 10,6 мкм. Більшість металів мають коефіцієнт відбиття 80%-90% для цього типу світла, тому для фокусування променя до діаметра 0,75-1,0 мм потрібні спеціальні оптичні лінзи. Потужність Nd:YAG лазерів зазвичай може сягати приблизно 4000-6000 Вт, а максимальна потужність зараз досягла 10 000 Вт. Натомість потужність CO₂ лазерів може легко досягати 20 000 Вт або навіть вище. Потужні CO₂ лазери вирішують проблему високої відбивної здатності завдяки ефекту замкової щілини. Коли поверхня матеріалу, опромінена світловою плямою, плавиться, утворюється замкова щілина. Ця замкова щілина, заповнена парою, подібна до чорного тіла, яке поглинає майже всю енергію падаючого світла. Рівноважна температура всередині замкової щілини досягає приблизно 25 000°C, а відбивна здатність швидко зменшується протягом кількох мікросекунд. Хоча розробка CO₂ лазерів все ще зосереджена на розробці та дослідженнях обладнання, мова йде вже не про збільшення максимальної вихідної потужності, а про те, як покращити якість променя та його фокусування. Крім того, коли аргон використовується як захисний газ для зварювання CO₂-лазером потужністю понад 10 кВт, він часто індукує сильну плазму, що зменшує глибину проникнення. Тому гелій, який не генерує плазму, часто використовується як захисний газ для зварювання високопотужним CO₂-лазером. Застосування комбінацій діодних лазерів для збудження потужних кристалів Nd:YAG є важливою темою досліджень і розробок, яка значно покращить якість лазерних променів і забезпечить більш ефективну лазерну обробку. Використання прямих діодних решіток для збудження та виведення лазерів у ближньому інфрачервоному діапазоні досягло середньої потужності 1 кВт та ефективності фотоелектричного перетворення майже 50%. Діоди також мають довший термін служби (10 000 годин), що допомагає знизити витрати на обслуговування лазерного обладнання. Розробка обладнання для твердотільних лазерів з діодним накачуванням (DPSSL) також просувається.
Час публікації: 27 серпня 2025 р.
