Алюминий (и его сплавы) как конструкционный материал обладает множеством достоинств. Он лёгкий, прочный, не поддаётся коррозии. Однако алюминий обладает и недостатком — он осень плохо сваривается. Существует технология, которая позволяет сваривать алюминиевые заготовки. Это лазерная сварка. Установки лазерной сварки сложные и достаточно дорогие. До недавнего времени использовались только в промышленных условиях. С расширением использования на рынке появились и доступные установки бытового класса.
Лазерная сварка алюминия
Содержание
- Технология лазерной сварки
- Условия и способы осуществления сварочного процесса
- Оборудование для проведения лазерной сварки алюминия
- Аппараты лазерной сварки алюминия
- Типы лазеров
- Твердотельный
- Газовый
- Преимущества сварки лазером
- Эффективность технологии
- Вам также могут быть интересны статьи:
Технология лазерной сварки
Технология лазерной сварки алюминия была разработана во второй половине XX века. Как только были созданы лазеры, способные к непрерывной работе, их сразу стали приспосабливать к сварным работам. Высокая энергия, которую несет узко фокусированный лазерный луч, позволяет нагреть ограниченную область на стыке двух заготовок, расплавить в ней металл. После прекращения нагрева металл кристаллизируется , соединяя две заготовки в одно целое. При постоянстве общего количества энергии, переносимой пучком, более узкая фокусировка позволяет добиться более высокой плотности энергетического потока. Соответственно повышается и температура нагрева.
Технология лазерного соединения алюминиевых сплавов и чистого алюминия позволяет работать без создания вакуума или атмосферы инертных газов. Требуется лишь провести механическую очистку сварочной зоны от окисные пленки, загрязнений или остатков лакокрасочных покрытий зоны. Обезжиривание позволяет удалить масложировые пятна и следы смазки.
Параметры лазерной сварки подбираются исходя из толщины заготовок, их пространственной конфигурации , величины сварочного зазора.
Если удается так подогнать заготовки, что сварочный зазор невелик, то использование присадочных материалов не требуется. Шовный материал образуется из оплавленных кромок соединяемых деталей.
Технология лазерной сварки
Технология позволяет варить практически в любом положении. Малая ширина сварочной ванны не позволяет расплаву вытекать даже при положении «снизу». Сварка производится в основном встык. Шов внахлест возможно только для очень тонких листовых материалов.
Условия и способы осуществления сварочного процесса
Алюминий и его сплавы обладают рядом физико –химических особенностей. В их числе:
- малый удельный вес;
- высокая прочность;
- сопротивляемость коррозии.
Это делает алюминий желанным для конструкторов материалом везде, где важен вес конструкции и ее коррозионная стойкость. Алюминий имеет и еще одну особенность- в нагретом создании он очень быстро окисляется. Окислы алюминия чрезвычайно тугоплавки ( более 2000 °С). При обычной сварке образование таких пленок, не разрушающихся при температуре плавления металла, препятствует сварке. Кроме того, оксидная пленка активно поглощает газы и водяные пары, порождая различные дефекты сварного шва.
Поэтому требуются принимать специальные меры для предотвращения попадания частиц окисных пленок в сварочную ванну. Для этого используют различные флюсы, атмосферу защитных газов, сварку в вакууме и т.д.
Параметры лазерной сварки внахлест
Лазерная сварка позволяет обойтись без всех этих усложняющих технологию и повышающих трудоемкость мероприятий.
Еще одной особенностью алюминия является его исключительно высокая теплопроводность.
Поэтому для сваривания алюминия требуется энергетические потоки с высокой плотностью. Обеспечение таких потоков в традиционных технологиях сваривания приводит к перегреву заготовок и их температурным деформациям. В результате перегрева происходит также изменение молекулярной структуры шва и околошовной области, приводящее к снижению прочности изделия.
Использование метода лазерной сварки, концентрирующего нагрев в очень узкой области, позволяет избегнуть и этих проблем.
Оборудование для проведения лазерной сварки алюминия
В состав установки лазерной сварки входят следующие основные узлы:
- Несущая рама, на которой крепятся все остальные узлы.
- Источник питания. Выдает высокое напряжение для питания генератора лазерного луча и низкое напряжение для питания механизма подачи заготовки и позиционирования головки.
- Генератор оптического излучения.
- Оптическая система фокусировки и направления луча в сварочную зону.
- Рабочий стол (для стационарных установок).
- Механизм подачи заготовки (для стационарных установок).
- Механизм перемещения сварочной головки.
Оборудование для лазерной сварки
Установки лазерной сварки включают в себя также системы промышленной безопасности, исключающие травмы обслуживающего персонала и повреждение материальных ценностей.
Аппараты лазерной сварки алюминия
Аппараты лазерной сварки алюминия могут функционировать в одном из двух режимов:
- Непрерывном. Используется непрерывное излучение лазера. Позволяет сваривать более толстые заготовки. Доступен на стационарных установках высокой мощности, с развитыми системами охлаждения.
- Импульсном. Сварка ведется серией последовательных импульсов, разогревающих алюминий до температуры плавления.
Аппараты также делятся на
- Стационарные. Обладают лазером большой мощности и способностью работать с заготовками определенных размеров, определяемых размерами рабочего стола.
- Мобильные. Установки меньшей мощности позволяют проводить сварку там, где это необходимо. Устанавливаются рядом с местом работ, лазерный луч передается по гибкому световоду. Позволяют варить в любом положении, включая положение «снизу».
Установка для лазерной сварки ЛТСК435-20
Кроме того, аппараты для сварки алюминия лазером различаются по типу и мощности используемого квантового генератора.
Типы лазеров
В настоящее время в аппаратах лазерной сварки алюминия применяются два основных типа лазеров:
- твердотельный;
- газовый.
Кроме того, проводятся исследования возможности применения для сварочных работ полупроводниковых лазерных генераторов. Промышленных образцов достаточной мощности пока не разработано.
Твердотельный
Установки с твердым активным телом развивают меньшую мощность по сравнению с газовыми и работают обычно в импульсном режиме. Принцип их работы следующий:
- Цилиндрическое активное тело, изготовленное из смеси окиси алюминия и ионизированного хрома , располагается внутри камеры. Торцы стержня отполированы и являются зеркалами. Одно из них полупроницаемое- свет может проходить через него при достижении определенной интенсивности пучка.
- Рядом с активным телом находится лампа накачки, периодически облучающая стержень импульсами света.
- Ионы хрома, входящие в состав стержня, переходят в активное состояние и переизлучает свет в продольном направлении.
- Импульсы светы, попеременно отражаясь от торцевых зеркал, увеличивают свою интенсивность, поскольку накачка продолжается.
- Когда интенсивность превышает определенный порог, световой импульс проходит через полупроницаемое зеркало и уходит в оптическую систему направления и фокусировки и через нее- в рабочую зону.
Твердотельный лазер
Длина волны таких аппаратов равна 0,69 микрона, мощность может достигать нескольких сотен ватт.
Газовый
Установки сварки алюминия лазером, использующие газообразное активное тело, конструктивно совпадают с твердотельными за исключением двух особенностей:
- Активное тело является заключенной в стеклянную колбу смесью углекислого газа, гелия и азота.
- Излучение возбуждается электрическим разрядом в газовой среде.
Зеркала (сплошное и полупроницаемое) на торцах колбы такие же, как в случае твердотельного лазера. Так же происходит усиление импульса и его проход в систему фокусировки.
Газовая смесь находится под давлением от 2 до 14 килопаскалей, в результате электрического разряда возбуждается световое излучение с длиной волны около десяти микрон.
Газовый лазер
Коэффициент полезного действия газовых установок доходит до 15%, мощность — до десятков киловатт.
Преимущества сварки лазером
Основные преимущества лазерного способа сварки заготовок из алюминия следующие:
- высокая производительность;
- низкая трудоемкость;
- отсутствие расходных сварочных материалов;
- нет необходимости в создании защитной атмосферы;
- возможность варить в любом положении;
- высокая точность сварки;
- минимальные температурные деформации;
- экологичность.
Одним из немногих недостатков метода при сварке алюминия является высока с сложность и стоимость оборудования. Недешево обходится и его обслуживание. Невысок и КПД.
Эффективность технологии
Расчет экономической эффективности использования лазерного способа сварки деталей из алюминия проводится в сравнении с традиционными технологиями сварочных работ.
Следует сравнивать не только цену покупки установок, но и совокупную стоимость владения ими, или сумма расходов за время эксплуатации, например, за год или пять лет- среднее время службы.
Лазерные установки проявляют свои преимущества в следующих условиях:
- большой объем работ;
- высокие требования к качеству сварного шва;
- возможность автоматизации процесса;
- малая толщина (до 1 см) свариваемых алюминиевых заготовок;
- высокие требования к загрязнению окружающей среды;
- доступность для найма высококвалифицированного персонала.
Результат лазерной сварки алюминия
Положительные особенности процесса лазерной сварки алюминия широко используются в производстве средств связи, аэрокосмической промышленности, производстве сложных промышленных установок, а также в оборонной индустрии. Расширение рынка ведет к снижению стоимости аппаратов, уже сегодня предлагаются модели бытового класса, доступные и домашним мастерам.
Источник: