Лазерная сварка алюминия: методы, оборудование, сложности

О чем речь? Лазерная сварка алюминия позволяет получить надежное соединение, несмотря на то что металл плохо переносит термическую обработку. Однако перед этим необходима тщательная подготовка поверхности – удаление масел, влаги и оксидной пленки.

На что обратить внимание? Сварка алюминия осуществляется при помощи твердотельных, волоконных, газовых и полупроводниковых лазеров. Выбор зависит от требования к точности и чистоте соединения.

Трудности в сварке алюминия

Сварка алюминия осложняется высокой склонностью металла к окислению, приводящему к пористости и загрязнению сварочного шва. Справиться с этой задачей помогает комплексный подход, включающий соответствующую очистку, подготовку детали и применение лазерной технологии сваривания.

Из-за специфических свойств материала (высокой теплопроводности ~209 Вт/м·К и низкой температуры плавления +660–670 °C) сваривать детали и конструкции возможно только посредством плавления. Такую возможность предоставляют технологии MIG, TIG, лазерной и электронно-лучевой сварки.

Высокая теплопроводность может привести к нагреванию всей заготовки и, как следствие, к ее деформации или чрезмерному оплавлению. Поэтому в процессе обработки алюминиевых деталей важен контроль за подачей тепла. Ручные методы требуют высокой квалификации сварщика, в то время как автоматизированные (лазерная и электронно-лучевая сварка) позволяют получать стабильные результаты.

Сварка алюминия осложняется:

• Наличием оксидной пленкой, температура плавления которой существенно превышает температуру плавления алюминия (+2015 °С против +650 °C). Использование обычных технологий сварки приводит к тому, что деталь излишне оплавляется, в то время как поверхностный слой остается целым и требует дальнейшего механического или химического удаления.
• Окислением: уменьшая отражательную способность поверхности, пленка мешает проникновению лазерного луча.

• Загрязнением углеводородами: смазки, используемые для механической обработки, нуждаются в обязательном удалении перед лазерной сваркой алюминия.

Оборудование для лазерной сварки алюминия

На промышленных предприятиях используют в основном твердотельный и газовый лазеры, реже – волоконный. Принцип работы идентичен для всех типов лазерных устройств и заключается в поглощении светового излучения («накачки») рабочим телом (искусственным рубином или смесью газов в капсюле) и подъеме внешних электронов примесными атомами с обычных орбиталей на более высокие. Затем электроны преобразуют энергию в фотоны и возвращаются на место.

Рабочее тело лазера располагается между двумя зеркалами, одно из которых – полупрозрачное. Образовавшиеся фотоны, проходя вдоль межзеркальной оси рабочего тела, многократно отражаются, в результате чего накапливаются, а затем, достигнув определенной мощности, прорываются сквозь полупрозрачное зеркало.

Фото: bannafarsai / freepik.com

На первый взгляд такой способ получения энергии кажется излишне сложным и неоправданно дорогостоящим. Обычные твердотельные лазеры на основе оксида алюминия с примесью хрома излучают максимум 2 % от поглощенной световой энергии, газовые – 15 %. Однако получаемое когерентное излучение имеет очень высокую энергетическую плотность и легко управляется обычной оптикой, расплавляя лазерным лучом стальные заготовки.

Сегодня на смену твердотельным и газовым лазерам приходят промышленные установки, КПД которых достигает 70 %:

Твердотельный лазер

Кристалл искусственного рубина, состоящий из оксида алюминия с добавлением солей хрома, в процессе эксплуатации установки активно нагревается, что негативно сказывается на его значительно искажающихся оптических параметрах. В качестве зеркал выступают его отшлифованные торцы, соответственно нагревание приводит к снижению и без того очень маленького КПД. В таких установках важную роль играет качественная система охлаждения.

К достоинствам твердотельных установок для лазерной сварки алюминия можно отнести:

• хорошо выдержанную длину волны/монохромность;
• компактные размеры установки, отсутствие необходимости в сложной оптике.

Что касается недостатков, то они заключаются в:

• высокой стоимости технологии лазерной сварки алюминия;
• очень низком КПД.

Газовый лазер

Инертный газ, содержащий небольшое количество атомов с незаполненной внешней орбиталью, заполняет трубку с тщательно обработанными торцевыми зеркалами. Внешний свет, необходимый для накачки рабочего тела, в установке заменяет более эффективный электрический разряд.

К достоинствам газовых установок для лазерной сварки алюминия по ГОСТу можно отнести:

• меньшую стоимость по сравнению с твердотельными аналогами;
• более высокий КПД.

Среди недостатков следует отметить:

• более сложную систему линз и зеркал;
• плохо выдержанную длину волны, не позволяющую получить идеальную фокусировку луча.

Полупроводниковый лазер

Это оборудование для лазерной сварки алюминия нового поколения, высокая стоимость которого окупается его эффективностью. Принцип работы аналогичен предыдущим, однако рабочие атомы полностью сконцентрированы на одном микроучастке. Мощность промышленных установок варьируется от 1 до 40 кВт и зависит от количества используемых полупроводниковых пар.

К достоинствам полупроводникового оборудования для лазерной сварки алюминия можно отнести:

• высокую мощность;
• компактные размеры.

Впрочем, скорость износа рабочей поверхности при промышленных нагрузках на сегодняшний день не изучена.

Волоконный лазер

В качестве рабочего тела в волоконных установках используется композитное волокно с сердцевиной из оптического кварца, легированного редкоземельными ионами. Накачка выполняется при помощи светодиодов с заранее определенной длиной волны. Рабочее тело продолжается световодом с тем же кварцем внутри, исключающим потерю энергии до рабочего наконечника. Несмотря на небольшие размеры мощность современных установок достигает 100 кВт, а фиксированная длина волны позволяет добиться идеальной фокусировки луча.

Фото: wirestock / freepik.com

Обычно длина луча варьируется от 20 до 40 м, однако может достигать и 100 м. А, учитывая, что оболочка оптопроводящего сердечника сама по себе является проводником излучения диодов подкачки, то лазерное излучение подкачивается по всей его протяженности.

К достоинствам волоконных установок для лазерной сварки алюминия можно отнести:

• высокую мощность;
• компактные размеры;
• универсальность;
• относительно невысокую стоимость;
• хорошую износостойкость;
• гибкость световода, позволяющую работать с заготовками сложной конфигурации.

Однако лазерная сварка алюминия осложняется свойствами материалов, при этом проблемы могут возникать как на химическом, так и на физическом уровнях.

Технология лазерной сварки алюминия

Технология лазерной сварки алюминия впервые была использована во второй половине прошлого века. Сфокусированный тонкий луч лазера точечно нагревал металл заготовок, расплавляя его. После кристаллизации расплава образовывалось прочное высококачественное сварное соединение. Скорость плавления Al с использованием лазерной установки позволяет избежать образования окислов.

Лазерная сварка сплавов алюминия, особенно алюминиево-магниевых, осложняется высокой вероятностью формирования пористого шва. Поры образуются под воздействием магния и водорода, растворяющегося при температуре плавления металла.

Для того чтобы получить с помощью технологии лазерной сварки алюминия качественное соединение, необходимо:

• Удалить с поверхности заготовки влагу, которая содержится также в оксидной пленке в виде гидратированных оксидов.
• Очистить поверхность от жировой смазки, механически обработать торцевые части свариваемых кромок.
• Снять оксидную пленку на ширину 25–30 мм, поместив заготовку в раствор NaОH (50 г на литр H₂O), затем осветлив ее в 30%-ном растворе НNО₃ и тщательно промыв в горячей воде.

Свойства очищенной поверхности алюминиевой заготовки сохраняются на протяжении трех-четырех дней. Перед тем как непосредственно приступить к сварочным работам, деталь следует до блеска зачистить шабером.

Одна из особенностей лазерной сварки алюминиевых конструкций и деталей заключается в пороговом характере проплавления. Из-за высоких коэффициентов отражения, теплоемкости и теплопроводности металла, для того чтобы он начал плавиться, необходима плотность мощности примерно 106 Вт/см².

Лазерная сварка алюминия не требует создания специальных условий, таких как вакуум или среда инертных газов. Минимальный зазор между свариваемыми заготовками позволяет работать без использования присадок. Шов образуется за счет металла оплавленных кромок деталей. Однако поверхности соединяемых элементов должны быть тщательно подготовлены: очищены от смазки, лакокрасочных покрытий, оксидной пленки.

Преимущества технологии лазерной сварки алюминия заключаются в:

• получении высококачественного сварного шва;
• отсутствии необходимости длительной подготовки поверхности заготовки – достаточно тщательно зачистить обрабатываемую зону;
• высокой точности выполняемых работ за счет минимальной толщины луча и компьютерного управления, минимизирующего отклонения от заданных параметров;

Фото: Bo Bo / Unsplash.com

• возможности создания тонких сварных швов сложной конфигурации;
• экологичности лазерной сварки алюминия, отсутствии негативного воздействия на окружающую среду и здоровье человека;
• высокой производительности работ, полной автоматизации процесса сварки;
• получении эстетически привлекательных изделий, обусловленном минимальным объемом расплавленного металла и полной автоматизацией работ;
• минимальной деформации получаемых изделий (поперечная усадка шва после лазерной сварки алюминия в пять-шесть раз ниже, чем при использовании дуговой технологии);
• возможности выполнения работ при любом положении заготовок;
• минимальных трудозатратах.

К недостаткам технологии лазерной сварки алюминия можно отнести:

• высокую стоимость работ и сварочного оборудования;
• сложности при обработке толстостенных заготовок;
• невозможность использования для любых алюминиевых сплавов;
• невысокий КПД.

Ряд перечисленных недостатков нивелируется профессиональным подходом к лазерной сварке алюминия.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Изображение в шапке статьи: Andrei Armiagov / shutterstock.com