Зварювальний вузол
1. Зазор та нерівність монтажу
Якість складання має вирішальне значення для забезпечення якості зварювання. Надмірні зазори або неспіввісність при складанні можуть легко спричинити такі дефекти, як прогоряння, погане формування шва та неповне проварювання. Зазор при складанні для кутових та стикових з'єднань повинен бути якомога меншим. У таблиці 8-2 наведено вимоги до зазорів та неспіввісності при ручному лазерному автогенному зварюванні.
Щоб забезпечити розміри заготовки, зменшити деформацію та запобігти перекісу зварюваної ділянки через крутильну деформацію під час зварювання, перед зварюванням зазвичай потрібне прихваткове зварювання. Для складального прихваткового зварювання використовується той самий метод обробки, що й для офіційного зварювання. Довжина прихваткових швів становить 20–30 мм, а вимоги до якості прихваткових швів (наприклад, глибина та ширина проникнення) нижчі, ніж для офіційного зварювання. Для прихваткового зварювання зазвичай використовується вища швидкість руху, ніж для офіційного зварювання. З метою забезпечення надійного з'єднання прихваткових швів, прихваткові шви повинні бути плоскими, довгими та тонкими, і не повинні бути надмірно великими, широкими або високими. Прихваткові шви також потребують належного захисту, щоб уникнути окислення.
3. Кріплення та затискачі
Лазерне зварювання здебільшого використовується длязварювання тонких пластинПри зварюванні тонких пластин зварювання зазвичай виконується на лицьовій стороні заготовки, з достатнім розплавленням на зворотному боці для досягнення добре сформованого заднього зварного шва. Щодо вибору параметрів: низьке підведення тепла може призвести до неповного проплавлення на зворотному боці; високе підведення тепла, забезпечуючи повне проплавлення на зворотному боці, може призвести до прогорання через силу ваги розплавленого металу або непропорційну ширину плавлення відносно товщини заготовки. Щоб запобігти прогоранню, якщо заготовка дозволяє затискання, слід використовувати кріплення для затискання заготовки під час зварювання тонких пластин — притискання до лицьової сторони та розміщення мідної або нержавіючої сталевої опорної пластини на зворотному боці. Це запобігає змінам зазорів у складанні або перекісу, спричиненому деформацією зварювання, та уникає теплового руйнування. Коли заготовка має нерівномірне розсіювання тепла по ділянках з конструктивних причин, використання кріплень для балансування розсіювання тепла також є ефективним, прагнучи утворити зварні шви з однаковими розмірами як на передній, так і на зворотному боках.
Вибір параметрів зварювання
Загалом, параметри лазерного зварювання включають потужність лазера, ширину лазерного імпульсу, величину розфокусування, швидкість зварювання та захисний газ.
1. Лазерна потужність
У лазерному зварюванні існує порогове значення щільності потужності лазера. Нижче цього порогу глибина проникнення невелика; після досягнення або перевищення глибина проникнення значно збільшується. Плазма генерується лише тоді, коли щільність потужності лазера на заготовці перевищує поріг, що вказує на стабільне зварювання з глибоким проникненням. Нижче порогу відбувається лише поверхневе плавлення (стабільне зварювання теплопровідністю). Поблизу критичної умови для утворення замкової щілини глибоке проникнення та зварювання теплопровідністю чергуються, що призводить до нестабільного процесу з великими коливаннями глибини проникнення. Потужність лазера є одним з найважливіших параметрів у лазерній обробці та ключовим фактором, що визначає глибину проникнення зварного шва. Для фіксованого діаметра сфокусованої плями щільність потужності лазера пропорційна потужності лазера: вища потужність збільшує глибину проникнення та швидкість зварювання. Однак надмірна потужність викликає сильний перегрів розплавленої ванни, збільшує ширину зварного шва та зону термічного впливу (ЗТВ), а також призводить до більшого розбризкування, яке може забруднити зварювальну лінзу. При високій потужності поверхневий шар може нагріватися до точки кипіння та значно випаровуватися протягом мікросекунд, що робить його ідеальним для процесів видалення матеріалу, таких як свердління, різання та гравірування. При меншій потужності поверхні потрібні мілісекунди, щоб досягти точки кипіння, а нижній шар плавиться до поверхневого випаровування, що сприяє якісному зварюванню плавленням.
2. Ширина лазерного імпульсу
Ширина лазерного імпульсу, або «широта імпульсу», є ключовим параметром імпульсного лазерного зварювання. Вона визначається глибиною проникнення та зоною термічного впливу (ЗТВ): довша тривалість імпульсу збільшує ЗТВ, а глибина проникнення збільшується пропорційно квадратному кореню з тривалості імпульсу. Однак довша тривалість імпульсу зменшує пікову потужність, тому їх зазвичай використовують для теплопровідного зварювання, утворюючи широкі, неглибокі зварні шви, особливо придатні для нахлесточного з'єднання тонких і товстих пластин. Однак низька пікова потужність призводить до надмірного підведення тепла, і кожен матеріал має оптимальну тривалість імпульсу для максимальної глибини проникнення.
3. Вибір ступеня розфокусування
Положення сфокусованої точки має вирішальне значення влазерне зварювання плавленнямКоли фокус знаходиться над поверхнею заготовки, глибина проникнення мала, що ускладнює зварювання з глибоким проникненням. Коли фокус знаходиться під поверхнею, щільність потужності всередині заготовки вища, ніж на поверхні, що сприяє сильнішому плавленню та випаровуванню, дозволяючи енергії передавати глибше в заготовку та збільшуючи глибину проникнення. Існує два режими дефокусування: позитивний дефокус (площина фокусування над заготовкою) та негативний дефокус (площина фокусування під заготовкою). На практиці для товстих пластин, що потребують великої глибини проникнення, використовується негативний дефокус, при цьому фокус лазера зазвичай знаходиться на 1–2 мм нижче поверхні заготовки. Для тонких пластин перевага надається позитивному дефокусу, при якому фокус знаходиться на 1–1,5 мм над поверхнею.
4. Швидкість зварювання
За фіксованих інших параметрів глибина проникнення зменшується зі збільшенням швидкості зварювання, тоді як ефективність підвищується. Надмірно високі швидкості не відповідають вимогам щодо проникнення; надмірно низькі швидкості призводять до переплавлення, широких зварних швів, перегріву зони термічного розтріскування (HAZ) та підвищеної схильності до гарячих тріщин.імпульсне лазерне зварюванняШвидкість також визначається максимальною частотою імпульсів та необхідним перекриттям плям — кожна наступна пляма імпульсу повинна певною мірою перекриватися. Таким чином, для заданої потужності лазера та товщини матеріалу існує оптимальний діапазон швидкостей, в межах якого досягається максимальна глибина проникнення при певній швидкості.
5. Захисний газ
Інертні гази часто використовуються для захисту розплавленої ванни під час лазерного зварювання. Хоча деякі матеріали можуть не потребувати захисту від поверхневого окислення, більшість застосувань потребують. Традиційно Ar, N₂ та He використовуються для лазерного зварювання алюмінієвих сплавів, щоб запобігти окисленню. Теоретично, He є найлегшим з найвищою енергією іонізації, але при низькій потужності та високих швидкостях плазма слабка, що мінімізує відмінності між газами. Дослідження показують, що за тих самих умов N₂ легше викликає утворення замкової щілини через екзотермічні реакції з Al; отримані потрійні сполуки Al-NO мають вище поглинання лазерного випромінювання. Однак чистий N₂ утворює крихкі фази Al-N та пори у зварних швах. Інертні гази, будучи легкими, виходять, не утворюючи пор, що робить змішані гази більш ефективними. Останнім часом дослідження лазерного зварювання Al з використанням сумішей Ar-O₂ та N₂-O₂ зросли.
6. Поглинання матеріалу
Поглинання лазерної енергії матеріалом залежить від таких властивостей, як поглинальна здатність, відбивна здатність, теплопровідність, температура плавлення та температура випаровування, причому поглинальна здатність є найважливішою. Фактори, що впливають на поглинальну здатність, включають:
Питомий електричний опір: для полірованих поверхонь поглинальна здатність пропорційна квадратному кореню з питомого опору, який змінюється залежно від температури.
Стан поверхні: Істотно впливає на поглинальну здатність і, отже, на результати зварювання.
Поради щодо експлуатації та заборони для ручного зварювання волоконним лазером
1. Уникайте дугового випромінювання
Ручні зварювальні апарати з волоконним лазеромВикористовуйте волоконні лазери класу 4, що випромінюють випромінювання (1080±3) нм з вихідною потужністю понад 1000 Вт (залежно від моделі). Прямий або непрямий вплив може пошкодити очі або шкіру. Хоча промінь невидимий, він може спричинити незворотне пошкодження сітківки або рогівки. Завжди одягайте сертифіковані захисні окуляри для лазера під час роботи лазера. Ніколи не дивіться безпосередньо на вихідну головку, коли лазер увімкнено, навіть в захисних окулярах.
2. Налаштування параметрів зварювання
Встановіть низьку потужність лазера на сенсорному екрані (як показано на рисунку 8-2). Розмістіть мідне сопло зварювальної головки до заготовки та натисніть перемикач пальника, щоб випромінювати лазер для зварювання. Типові параметри: частота лазера 5000 Гц, швидкість гальванометра 300–600, затримка газу >100 мс, 100% робочий цикл для безперервного випромінювання. Відрегулюйте ширину зварювання на основі зазорів між збірками; потужність регулюється від 0 до 1000 Вт (0–100% від максимуму). Після введення параметрів натисніть «OK» та збережіть налаштування, щоб вони набули чинності.
4. Не збільшуйте швидкість зварювання надмірно
Зварні шви формуються шляхом переміщення лазерного джерела (див. рис. 8-3). Глибина та ширина залежать від швидкості та потужності, типові швидкості становлять 1–3 м/хв, що створює гладкі поверхні без окалини зі співвідношенням сторін <1. При фіксованому струмі та напрузі зміна швидкості безпосередньо впливає на підведення тепла, змінюючи проникнення та ширину. Надмірно високі швидкості спричиняють недостатній нагрів, що призводить до зменшення проникнення, вузької ширини, піднутрення, пор та неповного проникнення.
Механічне очищення: Використовуйте щітки з нержавіючої сталі або пневматичні круги для видалення оксидів до досягнення яскраво-білого покриття. Зварюйте одразу після полірування; поліруйте повторно, якщо зварювання затримується >36 годин.
Хімічне очищення: Видалення оксидів за допомогою хімічних реакцій (методи залежать від матеріалу). У таблиці 8-3 наведено методи хімічного очищення алюмінієвих сплавів. Видалення олії/пилу за допомогою органічних розчинників (бензин, ізопропіловий спирт) шляхом замочування, протирання та сушіння.
5. Мінімізація пористості
Водневі пори є поширеним явищем у лазерному зварюванні алюмінієвих сплавів. Зменште їх, видаляючи поверхневу вологу, олію та оксиди. Збільшення часу охолодження розплавленої ванни (шляхом збільшення тривалості імпульсу) сприяє виходу газів, оскільки швидкий термічний цикл лазерного зварювання обмежує виділення газу. Уникайте положень фокусування або негативного розфокусування, де інтенсивні реакції розплавленої ванни та випаровування сплаву збільшують пористість; використовуйте м'якшу енергію шляхом регулювання розфокусування для зменшення випаровування.
6. Зверніть увагу на положення під час утримання факела
Ручні лазерні пальники (див. рис. 8-4) важчі за пальники TIG та мають товсті кабелі, що призводить до втоми оператора. Для тривалого зварювання тримайте пальник обома руками, тримайте сопло в контакті з заготовкою, візуально вирівняйте зварний шов і плавно тягніть пальник до себе. Відрегулюйте положення зварювання залежно від положення зварювання, щоб мінімізувати втому та кількість стиків.
7. Запобігання лазерним травмам
Неправильна експлуатація може призвести до нещасних випадків. Дотримуйтесь цих правил:
Ніколи не дивіться на лазерну головку під час роботи.
Не використовуйтеволоконні лазериу тьмяному/темному середовищі.
Ніколи не спрямовуйте ліхтарик на людей, коли пристрій увімкнений.
Використовуйте металеві бар'єри в межах 3 м від зони зварювання.
Доступ до зони зварювання має бути обмежений лише операторами.
Одягайте захисне спорядження (сертифіковані окуляри, маски, рукавички). Ніколи не дивіться на вихідну головку, коли лазер увімкнений, навіть в окулярах.
Обережно поводьтеся з пальником та кабелем (мінімальний радіус вигину > 200 мм).
Вимикайте ключ лазерного випромінювання, коли він не використовується.
Забезпечте якість форсунки для ефективного газозахисту:
Гладкі внутрішні стінки, концентричні з лазером.
Негайно замінюйте деформовані сопла, щоб забезпечити стабільний рух пальника.
Розмір отвору сопла (див. рис. 8-6) впливає на якість зварювання: більші отвори збільшують потік газу, прискорюючи затвердіння та підвищуючи ризик пористості/тріщин.
8. Уникайте високих швидкостей для сплавів, чутливих до утворення тріщин.
Ручне лазерне зварюваннявикористовує автогенні, бездротові, осцилюючі гальванометричні пальники. Високі швидкості зменшують проникнення, звужують зварні шви, спричиняють підрізання та порушують покриття захисним газом, погіршуючи захист. Використовуйте нижчі швидкості для сплавів, чутливих до розтріскування.
9. Забезпечення якості з'єднань
Перепади температур та бездротове зварювання можуть спричинити пропалювання, утворення кратерів або тріщин у кратерах. Зварюйте безперервно, щоб мінімізувати зупинки; якщо зупинки неминучі (наприклад, зміна положення, сегментне зварювання), трохи сповільніть зварювання (10 мм) перед зупинкою, щоб запобігти утворенню кратерів. Перезапустіть зварювання через 20 мм після попереднього кратера для перекриття та якості.
10. Дотримуйтесь правильного руху пальника
Потягніть пальник на себе (віддаленого до ближнього) без бічних коливань. Підтримуйте стабільну швидкість, контролюючи рівномірне формування зварного шва. Для вертикального зварювання використовуйте рух вниз (не вгору), щоб скористатися швидким затвердінням та забезпечити стабільний рух.
11. Уникайте підрізів, невеликих закруглень та обвалення зварних швів унахлест.
Для зварних швів унахлест відрегулюйте кут падіння лазера так, щоб гальванометр покривав 2/3 вертикальної пластини (див. рисунок 8-7). Це розплавляє вертикальну пластину (як заповнювач) та 1/3 опорної пластини завдяки теплопровідності, утворюючи зварний шов достатнього розміру після охолодження. Неякісні зварні шви внахлест послаблюють міцність з'єднання, зменшують стійкість до розтріскування або призводять до руйнування конструкції — уникайте підрізів.
12. Зменшення відбивної здатності при зварюванні алюмінієвих сплавів
Алюміній відбиває 60–98% лазерної енергії. Відбивна здатність різко падає в точці плавлення та стабілізується в розплавленому стані. Поглинальна здатність зменшується зі збільшенням кута падіння; максимальне поглинання спостерігається при нормальному падінні (враховуйте захист лінзи). Зменште відбивну здатність, видаляючи оксиди за допомогою механічного/хімічного очищення.
13. Правильне використання захисного газу
Захисний газ впливає на формування, проникнення та ширину зварного шва. Більшість газів покращують якість, але можуть мати недоліки:
Ar: Низька енергія іонізації, високий рівень утворення плазми (зниження ефективності лазера), але інертний, недорогий та щільний — ефективно покриває розплавлену ванну (ідеально підходить для загального використання).
N₂: Помірна енергія іонізації (зменшує плазму краще, ніж Ar), але реагує з алюмінієм/вуглецевою сталлю, утворюючи крихкі нітриди, знижуючи в'язкість (не рекомендується для цих матеріалів). Підходить для нержавіючої сталі, де нітриди підвищують міцність.
14. Витрата захисного газу
Газ викидається через сопло під певним тиском. Гідродинамічна конструкція сопла та діаметр вихідного отвору мають вирішальне значення: достатньо великий, щоб покрити зварний шов, але обмежений, щоб запобігти турбулентному потоку (який втягує повітря та спричиняє пористість). Для ручного лазерного зварювання типова швидкість потоку становить 7 л/хв. Надмірний потік перемішує забруднюючі речовини в розплавлену ванну, що знижує чистоту газу — виберіть правильну швидкість потоку.
15. Положення фокусування лазера
Положення фокуса: Найменша пляма, найвища енергія — використовувати дляточкове зварюванняабо низька енергія, мінімальні вимоги до розміру плями (див. рис. 8-8).
Негативний розфокус: більша пляма (збільшується з відстанню від фокуса) — підходить для безперервного зварювання глибоким проплавленням та точкового зварювання глибоким проплавленням.
Позитивна дефокусування: більша пляма (збільшується з відстанню від фокуса) — підходить для герметизації поверхні або безперервного зварювання з низьким проникненням.
Контроль зварювання з повним проплавленням: Незначна зміна кольору на зворотному боці свідчить про хорошу якість; очевидні сліди/проплавлення спричиняють розбризкування або глибокі канавки при безперервному зварюванні. Відрегулюйте фокус, енергію та форму хвилі на основі зразків. Використовуйте менші плями для тонших матеріалів, щоб уникнути прогорання.
Час публікації: 21 серпня 2025 р.
