Лазерне зварювання з’єднує металеві деталі концентрованим лазерним променем, сфокусованим на стику. Промінь розплавляє вузьку зону матеріалу з обох боків шва, розплавлений метал зливається й твердне, і деталі стають одним цілим. Оскільки енергія підводиться до дуже малої плями, навколишній матеріал нагрівається значно менше, ніж у дуговому зварюванні. Це означає меншу деформацію, вужчу зону термічного впливу й чистіший шов, який часто майже або зовсім не потребує шліфування. Метод особливо добре підходить для тонкого листа, нержавіючої сталі та точних підвузлів і дає найстабільніший результат, коли зварювальну головку веде робот.

Нижче ми пояснюємо, як працює процес, чим він відрізняється від TIG і MIG, де його межі та як ми використовуємо його у власній роботизованій зварювальній комірці в Празі.

Як працює лазерне зварювання

Сучасна система лазерного зварювання складається з трьох частин: лазерного джерела, тракту передачі променя та зварювальної головки.

Джерело. Більшість промислових систем лазерного зварювання сьогодні використовують волоконний лазер, у якому промінь генерується всередині оптичного волокна. Волоконні лазери компактні, ефективні й дають промінь, який можна сфокусувати дуже щільно.
Передача. Промінь проходить гнучким оптоволоконним кабелем до зварювальної головки. Саме це робить практичним монтаж головки на руку робота.
Головка. Оптика фокусує промінь на стику. Захисний газ захищає зварювальну ванну від атмосфери, а залежно від з’єднання у шов можна подавати присадний дріт.

Два режими зварювання

Лазерне зварювання працює у двох основних режимах:

Режим теплопровідності. За нижчої густини потужності поверхня плавиться, а тепло поширюється в матеріал завдяки теплопровідності. Результат — неглибокий, широкий і дуже гладкий шов, придатний для видимих з’єднань і тонкого матеріалу.
Режим глибокого проплавлення (keyhole). За вищої густини потужності метал локально випаровується й утворює вузький канал — так званий keyhole, — через який промінь проникає глибоко в стик. Результат — глибокий вузький шов із малою зоною термічного впливу.

Який режим застосувати, залежить від потужності, фокусування та швидкості зварювання; його обирають під конкретне з’єднання й матеріал.

Лазерне зварювання порівняно з TIG і MIG

Кожен процес має своє місце. Порівняння нижче якісне: реальні значення залежать від матеріалу, товщини, конструкції з’єднання та обладнання.

	Лазерне зварювання	TIG	MIG / MAG
Підведення тепла	Низьке, концентроване	Помірне	Вище
Деформація тонкого листа	Низька	Помірна	Вища
Вигляд шва	Вузький, чистий	Дуже чистий, якщо працює досвідчений зварник	Ширший, може потребувати доопрацювання
Шліфування після зварювання	Мінімальне	Помірне	Часто потрібне
Бризки та УФ-випромінювання	Без УФ від дуги, без бризок	УФ від дуги	УФ і бризки
Вимоги до складання стику	Високі (малий зазор)	Помірні	Найнижчі, перекриває зазори
Витрата присадного матеріалу	Низька	Помірна	Висока
Підходить для	Тонкий лист, нержавіюча сталь, точні підвузли	Високоякісні ручні шви	Товстіші перерізи, висока продуктивність наплавлення
Автоматизація	Дуже добре підходить для роботів	Можлива	Широко поширена

Де лазерне зварювання виграє

Тонкий лист із нержавіючої сталі. Низьке підведення тепла означає, що панелі залишаються рівними, а шов менше змінює колір. Менше виправлення, менше шліфування, менше переробок.
Видимі шви. Вузький рівномірний шов, що потребує мінімального доопрацювання.
Точні підвузли. Коли деталі надходять із точного ланцюга обробки листового металу, складання стику досить якісне, щоб лазер показав себе найкраще, — а вузол зберігає розміри після зварювання.
Повторюваність. На роботі кожен шов проходить ту саму траєкторію з тією самою швидкістю. Ця стабільність важлива для деталей, що тривалий час працюють під циклічним навантаженням.

Де не виграє

Чесна стаття має сказати й про те, коли лазерне зварювання — неправильний вибір:

Погане складання стику. Промінь вузький. Широкі або нерівномірні зазори, які зварювання MIG легко перекриває, для лазера можуть стати проблемою. Лазерне зварювання винагороджує точні деталі й карає неохайні.
Товсті перерізи та важкі зварні конструкції. Для дуже товстого листа чи робіт із великим обсягом наплавлення дугові процеси часто практичніші.
Метали з високою відбивною здатністю. Такі матеріали, як алюміній і мідь, відбивають значну частину променя й потребують відповідних параметрів і досвіду.
Вартість обладнання та безпека. Лазерні системи коштують дорожче за дугові зварювальні апарати, а сам лазер — серйозне джерело небезпеки, яким треба керувати згідно з правилами лазерної безпеки. Відсутність УФ-випромінювання дуги та бризок не робить промінь нешкідливим.

Наскільки міцний лазерний шов?

Міцність залежить від конструкції з’єднання, глибини проплавлення, матеріалу та якості виконання, а не лише від назви процесу. Добре спроєктований, повністю проплавлений лазерний шов може бути повноцінним несучим конструктивним з’єднанням; погано складений — ні. Тому ми не наводимо загальних значень міцності. Ми проєктуємо з’єднання під конкретний випадок навантаження й виготовляємо зварні конструктивні підвузли, розраховані на понад десять років циклічного навантаження.

Чому головку має вести робот

Лазер точний, але лише настільки, наскільки точна траєкторія, якою він рухається. Тому наше лазерне зварювання роботизоване.

У нашій комірці зварювальну головку волоконного лазера IPG LightWELD XR несе колаборативний робот FANUC CRX. Деякі з наших коботів CRX рухаються лінійною рейкою як сьомою віссю, тож один робот охоплює цілий робочий простір — зокрема довгі рами й великі панелі. Траєкторію веде 3D-камера, а зварювання може відбуватися під наглядом або автономно. Робот щоразу тримає точну траєкторію з точною швидкістю — звідси низька деформація й повторюваність.

Ті самі коботи не лише зварюють: вони автоматично збирають підвузли та обслуговують верстат Mazak із ЧПК та інші машини. Тож зварна рама може пройти гнуття, зварювання й механообробку, не залишаючи однієї команди. Подробиці — на сторінці технологій.

Лазерне очищення до і після зварювання

Якість шва починається ще до зварювання. Масла, оксиди та поверхневі плівки на стику можуть спричинити пористість і нерівномірний шов. Наш робочий процес включає лазерне очищення стику перед зварюванням і лазерне очищення шва після нього в межах того самого процесу, тож поверхню підготовлено, а результат завершено без окремого переміщення деталі на інше робоче місце.

На нержавіючій сталі кольори мінливості після зварювання та поверхневі оксиди — постійна тема. Один із наших референсних проєктів — ручний електрохімічний пістолет для очищення, створений саме для цього завдання; його можна знайти на сторінці проєктів.

Проєктування деталі під лазерне зварювання — контрольний список

Плануйте точне складання. Зазори мають бути малими й рівномірними; точне гнуття та пробивання на попередніх етапах окупаються саме тут.
Обирайте тип з’єднання заздалегідь. Стикові, напусткові, кутові й торцеві з’єднання поводяться по-різному; повідомте нам, яке навантаження несе з’єднання.
Залиште доступ для головки. Роботові потрібні пряма видимість і простір для руху вздовж шва.
Позначте видимі шви. Якщо шов має декоративне значення, скажіть про це: від цього залежить, як ми його налаштовуємо й доопрацьовуємо.
Подумайте про оснастку. Самофіксувальні елементи, як-от язички й пази, спрощують позиціонування вузлів і зменшують обсяг роботи з оснасткою.
Вкажіть матеріал і стан поверхні. Нержавіюча сталь, вуглецева сталь, з покриттям чи без — кожен варіант потребує власних параметрів.

Поширені запитання

Для чого використовують лазерне зварювання?

Його широко застосовують усюди, де потрібні точні з’єднання з низькою деформацією: вузли з тонкого листа, корпуси й рами з нержавіючої сталі, конструктивні підвузли та деталі з видимими швами. Ми використовуємо його для рам, панелей і підвузлів машин, які будуємо.

Чи міцніше лазерне зварювання за TIG або MIG?

Не за визначенням. Міцність залежить від конструкції з’єднання, проплавлення та виконання. Лазерний шов може бути повністю несучим; його перевага — низька деформація та повторюваність, а не ярлик «міцніший».

Чи потрібен для лазерного зварювання присадний дріт?

Не завжди. Деякі з’єднання зварюють без присадного матеріалу, інші — з дротом. Загалом лазерне зварювання витрачає менше присадного матеріалу, ніж дугове.

Чи можна застосовувати лазерне зварювання для тонкої нержавіючої сталі?

Так — це одне з його найсильніших застосувань. Низьке підведення тепла зберігає тонкі панелі рівними й обмежує зміну кольору.

Ви зварюєте окремі деталі чи лише серії?

І те, і інше. Наша комірка налаштована на одиничні вироби й малі серії — поряд з іншими нашими можливостями.

Наступний крок

Якщо у Вас є зварний вузол, який має залишатися рівним, мати охайний вигляд і роками нести навантаження, надішліть нам модель і розкажіть, яку функцію він виконує. Ми оцінимо з’єднання, складання й послідовність і скажемо, чи є лазерне зварювання правильним процесом, — чи ні. Зв’яжіться з нами.

Лазерне зварювання: як воно працює, наскільки міцний шов і коли головку має вести робот