Как лазерная сварка создает более прочные швы по сравнению с традиционными методами?

Целью применения более прочных и долговечных сварных соединений является переход многих компаний на использование передовых технологий, таких как лазерная сварка. Многие компании уделяют приоритетное внимание прочности швов, а также точности, что делает лазерную сварку наилучшим решением. Хотя в промышленности по-прежнему используются MIG, TIG и контактная сварка, лазерная сварка имеет значительные преимущества.

В автомобильной и аэрокосмической промышленности лазерная сварка используется в наибольшей степени. Высокая точность, обеспечиваемая лазерной сваркой, обусловлена физическими особенностями процесса, а также изменениями, которые она вызывает в материале. В данной статье изложены причины, по которым прочность сварного шва зависит от метода его создания.

Введение в лазерную сварку

Процесс сварки, соединяющий два или более элемента материала с использованием лазера. Лазер имеет несколько режимов и используется для теплопроводной сварки и глубокой проникающей сварки. При теплопроводной сварке, применяемой для соединения очень тонких листов материала или в случаях, когда требуется минимальное либо отсутствующее проникновение, мощность лазера поддерживается относительно низкой (около 105–106 Вт/см ² ), при этом заготовка плавится, но не испаряется.

Поверхностное тепло затем передаётся посредством теплопроводности внутрь материала, в результате чего формируется сварочная ванна, которая затвердевает и соединяет две детали. Ширина и глубина шва больше подходят для декоративных, а не конструкционных целей.

Техника лазерной сварки, называемая сваркой с образованием ключевого отверстия, работает при значительно более высоких плотностях сварочной мощности (106 -107 ватт/см2), что усиливает преимущества глубокой проникающей сварки (также известной как сварка с образованием ключевого отверстия). Когда лазер попадает в определённую точку материала, он быстро достигает температуры кипения (порога испарения), металл нагревается, а пар металла выталкивается под действием различных внешних сил, создавая таким образом ключевое отверстие. Образующийся пар металла оттесняет расплавленный металл в стороны и формирует узкую глубокую полость — так называемое ключевое отверстие, — которое позволяет лазерной энергии проникать глубоко внутрь материала, намного дальше, чем это возможно при теплопроводности на поверхности. Наличие ключевого отверстия является характерным признаком глубокой проникающей сварки. Расплавленный металл нагревается спереди отверстия, и по мере перемещения лазерного луча вдоль траектории сварки он обтекает края полости и затвердевает сзади, образуя исключительно глубокий и узкий сварной шов.

Соотношения глубины к ширине в соотношении 10:1 при использовании лазерной сварки и ключевого отверстия практически недостижимы при традиционной сварке. Важность соотношений сторон проявляется не только в глубине проплавления, но и в более благоприятном распределении напряжений по всей геометрии сварного шва. В отличие от традиционной дуговой сварки, которая оставляет мелкие широкие валики, потенциально концентрирующие поверхностные напряжения, лазерная сварка 'обладает узкой и глубокой дугой, что позволяет равномерно распределять напряжения по всей толщине материала. Это значительно повышает прочность соединения.

Прочность швов лазерной сварки определяется не только геометрией, а скорее фундаментальными положительными металлургическими изменениями, сохраняющими основные характеристики исходных материалов. Снижение количества операционных методов и техник сварки способствует уменьшению зоны термического влияния (HAZ), что при лазерной сварке выражено в гораздо меньшей степени по сравнению со сваркой MIG и TIG.

Эти несколько секунд нагрева обеспечивают множество эффектов, повышающих прочность. Они уменьшают остаточные напряжения и деформации в сварных деталях. При других методах сварки ввод тепла вызывает неравномерное тепловое расширение и сжатие свариваемых компонентов, что приводит к возникновению остаточных напряжений и деформаций. Зона таких остаточных напряжений может серьезно нарушить целостность сварного соединения. 'эти остаточные напряжения также могут вызывать усталостные трещины при циклических нагрузках. Компоненты, подвергающиеся циклическим нагрузкам, требуют значительной корректировки механической обработкой из-за деформаций. В случае лазерной сварки такие деформации значительно меньше, и поэтому мы можем сосредоточиться на других характеристиках, а не на прочности размеров компонента.

Лазерная сварка также способствует улучшению циклов нагрева и охлаждения, что позволяет формировать более мелкозернистую структуру. Металл с более мелкими зернами обычно прочнее и тверже, что повышает прочность компонента. Одно из исследований подтвердило, что при лазерной сварке нержавеющей стали образуется расплавленная ванна, в которой происходит затвердевание. Процесс затвердевания приводит к изменению микроструктуры нержавеющей стали 'что, в свою очередь, улучшает механические свойства. Это противоположно традиционному методу сварки, при котором медленный процесс охлаждения приводит к образованию крупнозернистой структуры и слабому соединению.

Одним из лучших примеров преимущества прочности является лазерная сварка самых современных высокопрочных материалов без потери заданных свойств. Многие передовые высокопрочные сплавы получают свои механические свойства благодаря технологии термической обработки высокого уровня. Эти материалы проходили термоциклирование при использовании традиционной сварки, в результате чего их микроструктуры были изменены. Такие материалы обладают микроструктурой, которая считается желательной, однако она была изменена. При лазерной сварке свойства основного металла сохраняются, поскольку прочность исходного материала сохраняется и поддерживается в сварном соединении.

Эффективность производства и гибкость процессов

Помимо очевидных технических преимуществ, связанных с прочностью шва при расположении сварного шва вдоль края заготовки, лазерная сварка также доказала свою значительную эффективность в производстве, что делает внедрение этих процессов более привлекательным в современном машиностроении. Данные процессы работают значительно быстрее традиционных сварочных процессов. В то время как лазерная сварка может достигать скорости сварки более 200 дюймов в минуту, а сварка MIG осуществляется со скоростью от 20 до 40 дюймов в минуту, первая способна достигать скорости более 200 дюймов в минуту. Более быстрые процессы превосходят большинство традиционных по скорости до такой степени, что операция, которая могла занимать несколько часов, с другими процессами может быть выполнена за несколько минут. Один задокументированный случай демонстрирует внедрение лазерной сварки, в результате которого время, затрачиваемое на сварку ворот, которое ранее составляло около десяти часов, было сокращено до 40 минут.

История эффективности становится еще более впечатляющей, если учитывать сокращение необходимости/объема последующей обработки. Сварные конструкции, как правило, требуют значительного количества операций шлифования для получения поверхности, свободной от деформаций. Эти операции включают шлифование, механическую обработку и выравнивание, причем эти этапы технологического процесса не приносят прямой денежной выгоды, поскольку добавленная стоимость невелика. Сваренные листы ламината, выполненные с использованием лазерной технологии, формируют сварную ламинированную структуру, дополнительно обеспечивая чистые и четкие кромки и поверхности. Это обычно критично в тех случаях, когда лазерно-сваренные конструкции необходимо покрывать защитным слоем, так как для нанесения покрытия требуется, чтобы кромки и поверхности были свободны от искажений. Вместе с сокращением вторичных операций это позволяет значительно сэкономить время.

Лазерная сварка отлично работает с автоматизированными производственными установками, что еще больше повышает ее эффективность. Роботизированные системы могут легко направлять и перемещать лазерный луч, не касаясь заготовки, и, что особенно важно, не взаимодействуя с ней физически. Во многих случаях один лазерный источник может обслуживать несколько рабочих мест благодаря конфигурации разделения луча, что, в свою очередь, способствует повышению автономности систем лазерной обработки. Такая автономность позволяет производителям сохранять свои производственные линии без значительных перерывов. Аналогично, отсутствие контакта между инструментом и деталью при лазерной сварке означает, что изношенные инструменты, характерные для традиционных сварочных систем, отсутствуют, что способствует более стабильной работе системы в течение длительного времени. Это увеличивает срок эксплуатации системы без необходимости технического обслуживания, за исключением базового ухода за оптическими компонентами.

Способность адаптировать лазерную сварку к различным типам и толщинам материалов делает её ещё более привлекательной. Процесс позволяет обрабатывать материалы толщиной от долей миллиметра до стальных секций толщиной 25 мм за один проход. Эта возможность устраняет необходимость выполнения нескольких проходов, как в традиционных методах сварки при работе с более толстыми материалами. Более того, впечатляет способность лазерной сварки работать со сложными материалами, такими как титан, алюминий и различными комбинациями металлов, которые недоступны для других сварочных систем.

Еще одним важным преимуществом лазерной сварки является стабильное качество сварного шва, которое напрямую связано с надежностью прочности соединения. Процесс обеспечивает высокий уровень контроля для оператора благодаря использованию сложных датчиков, которые в режиме реального времени постоянно отслеживают важные параметры процесса сварки. Системы, используемые при контроле, как правило, делятся на три категории. Первая категория включает системы до сварки, которые отслеживают линию соединения, чтобы обеспечить точное позиционирование лазерного луча. Вторая категория — это системы контроля в процессе сварки, оснащенные камерами, которые отслеживают и анализируют сварочную ванну и ключевое отверстие. Последняя категория — системы после сварки, которые оценивают шов, проверяя соответствие стандартам качества.

Достичь такого уровня контроля значительно сложнее при использовании традиционных методов сварки, где важную роль играют квалификация и стабильность работы операторов. Человеческие операторы обладают большим контролем над традиционной сваркой, однако в случае лазерной сварки процесс полностью автоматизирован. Как только машина усвоит параметры сварки, они будут точно воспроизводиться в ходе производственных циклов, независимо от того, идет речь о тысяче или миллионе компонентов. Каждое сварное соединение будет обладать одинаковым набором механических свойств. В отраслях, где недопустим отказ сварного шва, например, в производстве медицинских устройств, деталей автомобильной безопасности или в аэрокосмической промышленности, стабильность качества имеет большее значение и ценится выше, чем сами сварные детали.

Процесс управляемой кристаллизации при лазерной сварке минимизирует возникновение ряда дефектов сварного шва, которые могут ослабить соединение. Газовая пористость и сегрегация легирующих элементов — это недостатки, которые ограничиваются быстрой стадией охлаждения процесса. Кроме того, контроль подвода энергии помогает устранить непровар и прожог, особенно на тонколистовых материалах. Да, лазерная сварка требует более точного выравнивания кромок по сравнению с некоторыми устаревшими методами сварки. Однако современные системы используют такие технологии, как колеблющиеся лазерные лучи, позволяющие закрывать более широкие зазоры, а также гибридные системы, сочетающие лазерную сварку с традиционной подачей проволоки, что облегчает процесс.

Эксперты отрасли признают, что традиционные методы сварки опираются на прочную базу квалифицированных специалистов и многолетние знания, в то время как лазерная сварка обеспечивает более надежные и предсказуемые результаты благодаря лучшему контролю процесса. Постоянное совершенствование и рост доступности лазерных технологий на рынке делают это утверждение всё более справедливым, поскольку процессы, требующие отсутствия точек отказа, могут использовать стабильность лазерной сварки. 'её стабильность как важное конкурентное преимущество.

Заключение

Доказательства подтверждают, что лазерная сварка превосходит другие методы по глубине проплавления, металлургическим характеристикам и контролю процесса, обеспечивая более прочные швы. Сварка проплавлением и эффект ключевого отверстия способствуют лучшему распределению напряжений. Низкая тепловая деформация и минимальный ввод тепла помогают сохранить свойства основного материала и свести деформацию к минимуму. Совокупность преимуществ лазерных технологий — эффективность, качество и производительность — в сварочных приложениях с высокой прочностью соединений создаёт убедительный аргумент.

Конечно, традиционные методы по-прежнему имеют значение —особенно когда стоимость оборудования низкая или сборка имеет малый объём и сложна, что делает автоматизацию нецелесообразной —однако преимущества лазерной сварки трудно оспаривать. Современные и будущие проекты и продукты в производственной отрасли требуют, чтобы всё было легче, прочнее и надёжнее. Это сделает лазерную сварку ещё более важной. Компании, которые будут использовать проекты лазерной сварки и разрабатывать новые продукты, возглавят свои отрасли. Этот потенциал сделает их продукцию образцовой благодаря передовым технологиям лазерного соединения