1. Введение
Технология лазерной сварки характеризуется низким подводом тепла, плотными и эстетичными сварными швами, высокоточным управлением и простотой интеграции автоматизации, что способствует ее быстрому внедрению в металлообрабатывающей промышленности. Однако не все материалы подходят для лазерной сварки. Такие факторы, как теплопроводность, характеристики оптического поглощения, разница температур плавления, легирующие элементы и состояние поверхности, могут влиять на качество сварки. Поэтому понимание применимого диапазона материалов и ограничений лазерной сварки имеет решающее значение для выбора оборудования, планирования технологического процесса и контроля качества продукции.
2. Применимый диапазон материалов
Лазерная сварка подходит для нескольких категорий металлических материалов, среди которых черные металлы представляют собой наиболее зрелую область применения. Такие материалы, как углеродистая сталь, низколегированная сталь и нержавеющая сталь, демонстрируют хорошее поглощение лазерного луча, обеспечивая стабильное формирование сварного шва, контролируемую глубину проплавления и достаточную механическую прочность. Сплавы на основе никеля также показывают стабильную микроструктуру при сварке с низкой тенденцией к образованию трещин и широко используются в аэрокосмических компонентах и выводах аккумуляторов. Эти материалы считаются наиболее подходящими для лазерной сварки.
Алюминий и алюминиевые сплавы также свариваются, хотя и с большей технологической сложностью по сравнению с черными металлами. Алюминий обладает высокой отражательной способностью, высокой теплопроводностью и низкой температурой плавления, что делает сварочную ванну нестабильной и склонной к пористости. Поэтому сварка алюминия обычно требует более высокой мощности лазера, более точного контроля положения фокуса и оптимизированного выбора защитного газа для обеспечения стабильности процесса и плотности сварного шва. Несмотря на трудности, алюминиевые сплавы часто используются в корпусах аккумуляторов, корпусах потребительской электроники и аэрокосмических конструкциях.
Медь и медные сплавы представляют собой материалы с еще большей сложностью сварки. Медь обладает чрезвычайно высокой отражательной способностью и теплопроводностью, что приводит к низкой начальной эффективности лазерного сопряжения и частым дефектам, таким как отсутствие сплавления, прерывистые сварные швы или трещины при затвердевании. С развитием высокомощных волоконных лазеров, зеленых лазеров и импульсных лазерных источников производительность сварки меди улучшилась и все чаще используется в шинах аккумуляторов, электрических разъемах, клеммах и прецизионных электронных компонентах.
Лазерная сварка также подходит для драгоценных металлов, таких как золото, серебро и платина. Эти материалы широко используются в ювелирном производстве и производстве электрических контактов. Хотя они обладают высокой теплопроводностью, их сварочная стабильность остается превосходной. Импульсные лазеры обычно используются для прецизионной микросварки, обеспечивая исключительную однородность сварных швов и качество поверхности.
3. Материалы с ограничениями
Лазерная сварка подходит не для всех материалов. Высокоуглеродистые стали и чугун, хотя и относятся к черным металлам, содержат более высокое содержание углерода. Во время быстрого нагрева и охлаждения они имеют тенденцию образовывать твердые и хрупкие микроструктуры, генерируя трещины или пористость. Такие материалы требуют предварительного нагрева, контролируемого охлаждения или снижения плотности энергии для минимизации дефектов сварки.
Цинк, магний и некоторые сплавы магния и алюминия также имеют технологические ограничения. Эти материалы имеют низкие температуры плавления и высокое давление паров, что приводит к образованию пористости, разбрызгиванию и нестабильным сварочным ваннам, что приводит к плохому внешнему виду сварного шва и его плотности. Хотя оптимизация процесса может улучшить производительность, промышленное применение остается относительно ограниченным.
Материалы с поверхностными покрытиями, такими как серебро, никель или золото, представляют дополнительные проблемы. Покрытие изменяет поглощение лазерной энергии, что приводит к недостаточному сопряжению или неравномерному плавлению. Кроме того, многослойные покрытия могут расслаиваться под воздействием тепла из-за плохой адгезии между слоями. Часто требуется шлифовка поверхности или использование импульсных или зеленых лазеров для улучшения поглощения.
Для неметаллических материалов обычные системы лазерной сварки металлов не подходят для пластмасс, резины или композитов. Сварка пластмасс требует специальных процессов сварки с передачей и подбора материалов, обычно применяются специальные системы лазерной сварки пластмасс, а не обычные источники лазерного излучения для сварки металлов.
4. Сварка разнородных металлов
Лазерная сварка также используется для соединения разнородных металлов. Однако металлургическая совместимость, несоответствие теплового расширения и разница температур плавления накладывают значительные ограничения. Нержавеющая сталь и углеродистая сталь легче свариваются вместе, в то время как пары алюминий-нержавеющая сталь, медь-нержавеющая сталь и алюминий-медь склонны к образованию хрупких интерметаллических соединений, снижающих прочность соединения. Промышленная практика часто использует лазерную пайку, сканирование с колебаниями, добавление присадочной проволоки или оптимизированные траектории луча для улучшения характеристик соединения. Возможность зависит больше от стратегии процесса, чем от самих основных материалов.
5. Технологические ограничения и влияющие факторы
Пригодность материала для лазерной сварки определяется множеством влияющих факторов, включая длину волны лазера, характеристики поглощения поверхности, легирующие элементы, теплопроводность, отражательную способность, загрязнение поверхности, слои оксидов, скорость перемещения, положение фокуса и защитный газ. Разные материалы имеют разные технологические окна, требующие тщательного выбора оборудования и регулировки параметров в зависимости от характеристик материала.
6. Заключение
В заключение, сварочные аппараты лазерной сварки демонстрируют широкую применимость в обработке металлов. Черные металлы и материалы на основе никеля являются наиболее подходящими, в то время как алюминиевые и медные сплавы свариваются, но требуют усовершенствованного управления процессом. Определенные высокоуглеродистые материалы, металлы с покрытием и легкие сплавы демонстрируют ограничения применения, а пластмассы или неметаллические материалы требуют специализированных лазерных систем, а не обычных источников сварки металлов. С развитием высокомощных волоконных лазеров, зеленых/синих лазерных источников и ультрабыстрых лазеров применимый диапазон материалов продолжает расширяться, и ожидается, что текущие узкие места сварки будут преодолены в большем количестве отраслей промышленности.