Разработка и применение технологии лазерной сварки.
2026-04-15
Что такое лазерная сварка? Каково текущее развитие технологии лазерной сварки? В каких областях может применяться технология лазерной сварки?
1.Что такое лазерная сварка?
Вкратце , лазерная сварка заключается в нагреве поверхности заготовки лазерным излучением, при этом тепло с поверхности рассеивается внутрь за счет теплопроводности. Затем, контролируя ширину, энергию, пиковую мощность и частоту повторения лазерного импульса, заготовка расплавляется, образуя определенную зону расплава, что и обеспечивает сварку.
Лазерная сварка позволяет свести подводимое тепло к минимально необходимому количеству, диапазон металлографических изменений в зоне термического воздействия невелик, а деформация, вызванная теплопроводностью, также минимальна.
Бесконтактная сварка позволяет свести износ и деформацию оборудования к минимуму. Лазерный луч легко фокусируется, выравнивается и направляется с помощью оптических приборов. Его можно разместить на соответствующем расстоянии от заготовки и направлять между станками или препятствиями вокруг заготовки.
Лазерный луч может быть сфокусирован на очень малой площади, позволяет сваривать мелкие и расположенные близко друг к другу детали, сваривать широкий спектр материалов, а также соединять различные разнородные материалы.
Автоматизированная высокоскоростная сварка позволяет легко выполнять сварку, а также управлять ею цифровым или компьютерным способом. При сварке тонких материалов или проволоки малого диаметра отсутствуют такие проблемы, как переплавка.
2.Каково текущее состояние технологии лазерной сварки?
Технология лазерной сварки развивалась параллельно с развитием лазерных технологий. В последние годы были внедрены новые источники света, такие как синий лазер, зеленый лазер, фемтосекундный лазер, сварка с качающимся режимом, кольцевая сварка с регулируемым режимом (ARM) и другие новые процессы, которые инновационно решили некоторые проблемы сварки в промышленном производстве, что позволило лазерной сварке быстро получить распространение и развиваться в различных областях промышленного производства.
( 1 ) Технология лазерной сварки металла
Высокая плотность энергии лазера позволяет сваривать некоторые трудносвариваемые металлические материалы, однако остаются проблемы со сваркой материалов с высокой отражательной способностью и разнородных металлов, таких как золото, серебро, медь и алюминий. Основные причины включают:
①Из-за высокой отражательной способности и высокой теплопроводности лазерная сварка требует более высокой начальной мощности;
② При высокомощной лазерной сварке возникают проблемы, связанные с изменением состояния поверхности материала, что приводит к некачественному паяному соединению/сварке;
③ Высокая скорость лазерной сварки приводит к появлению дефектов сварки, таких как поры внутри сварного шва, особенно при работе с алюминием и алюминиевыми сплавами.
( 1.1 ) Эффективная лазерная сварка меди и медных сплавов
Медь обладает превосходной электро- и теплопроводностью и широко используется в производстве электронных изделий и электромобилей. Наиболее распространены её двигатели, батареи, датчики, жгуты проводов и клеммы.
В прошлом лазерная сварка металлических материалов в основном осуществлялась с использованием инфракрасных лазеров. Однако теплопроводность меди слишком высока, почти в 5 раз выше, чем у чистого железа, и в 1,7 раза выше, чем у чистого алюминия. Медь имеет низкую степень поглощения инфракрасных лазеров. Использование только инфракрасных лазеров для линейной сварки имеет нестабильное технологическое окно и наибольшие колебания глубины плавления, что чревато такими проблемами, как разбрызгивание металла, образование пор и значительные колебания глубины проплавления.
Таким образом, после появления мощных коротковолновых лазеров лазерная сварка видимым светом и гибридная сварка стали идеальными методами обработки высокоотражающих материалов, таких как медь и медные сплавы.
① Лазерная сварка зеленым светом
Зеленый лазер — это видимый свет с длиной волны 500-560 нм. Степень поглощения меди зеленым светом с длиной волны λ = 515 нм достигает 40%, что примерно в 8 раз выше степени поглощения инфракрасного света с длиной волны около 1 мкм, а также повышает эффективность передачи энергии. Кроме того, снижается чувствительность к степени окисления.
Использование зеленого лазера позволяет значительно снизить пороговую мощность при глубокой сварке меди, количество разбрызгивания расплава на поверхности сварного шва невелико, и скорость сварки практически не влияет на качество сварки. Увеличение сканирования луча, расфокусировки луча и правильной модуляции мощности лазера значительно улучшает качество сварки. При этом значительно снижается количество дефектов сварного шва, а поверхность шва становится более ровной и однородной.
② Лазерная сварка синим светом
Чем короче длина волны, тем выше энергия фотонов, что способствует увеличению степени поглощения лазерного излучения материалом. Длина волны синего лазера составляет 400–500 нм. Полупроводниковый лазер на основе нитрида галлия может напрямую генерировать лазерное излучение с длиной волны 450 нм без дальнейшего удвоения частоты. Он обладает преимуществами простой конструкции, удобства использования, эффективности электрооптического преобразования и высокой степени поглощения.
По сравнению с волоконными лазерами, широко используемыми в промышленной обработке, синие лазеры демонстрируют увеличение коэффициента поглощения металлических материалов на длине волны 450 нм на 10-60%, особенно для высокоотражающих металлов, таких как медь и золото. Было подтверждено, что энергопотребление при сварке меди на 84% ниже, чем у инфракрасных лазеров. Это означает, что если для сварки меди инфракрасному лазеру требуется 10 Вт мощности, то для использования синего лазера потребуется всего около 1 кВт или 0,5 кВт мощности.
③Гибридная сварка с двойным лучом
Использование двухлучевого комбинированного процесса сварки в инфракрасном и видимом диапазоне, с применением лазера видимого света меньшей мощности, позволяет осуществлять принудительную сварку меди с глубоким проплавлением при мощности ниже пороговой мощности для такой сварки, значительно уменьшая разбрызгивание при сварке, а также снижая стоимость оборудования. Качество сварки высокое, что считается очень важным преимуществом и открывает хорошие перспективы применения.
( 1.2 ) Лазерная сварка алюминиевых сплавов
При сварке алюминиевых сплавов с использованием обычных однофокусных лазерных лучей часто образуются поры. Основные причины образования пор в алюминиевых сплавах:
① Расплавленная сварочная ванна и сварочная сквозняк подвержены разрушению и нестабильности из-за сильной вибрации, что приводит к образованию пор;
② Растворимость водорода в алюминиевых сплавах резко снижается с понижением температуры, что приводит к осаждению пересыщенного водорода в процессе затвердевания и образованию водородных пор. Наличие пор вызывает концентрацию напряжений в сварном шве, что приводит к растрескиванию шва в процессе затвердевания.
Лазерная сварка с качающимся лучом. В процессе сварки луч перемещается вдоль направления сварного шва и одновременно качается, принимая различные формы, такие как круговые, восьмеркообразные и спиральные линии.
В настоящее время реализация качания балки в основном достигается с помощью Гальванометр, способный выдерживать воздействие мощных лазеров. Площадь действия луча Лазерная сварка с качающимся лучом увеличивает площадь сквозного отверстия и расплавленной ванны, а также размер корня расплавленной ванны, повышает стабильность сквозного отверстия и расплавленной ванны и оказывает значительное улучшающее воздействие на такие дефекты, как плохое слияние и подрез. Одновременно с этим, перемешивание расплавленной ванны качающимся световым лучом ускоряет конвекцию расплавленной ванны, что увеличивает скорость выхода пузырьков из расплавленной ванны и снижает пористость.
3.Современное применение технологии лазерной сварки в различных областях
Лазерная сварка не является чем-то новым по сравнению с резкой. В настоящее время в моей стране есть предприятия, специализирующиеся на лазерной сварке. На заре своего развития основными методами были лазерная сварка с ламповой накачкой и YAG-лазерная сварка. Все они представляют собой очень традиционные низкомощные методы лазерной сварки, которые применялись в производстве пресс-форм, рекламных символов, стекла, ювелирных изделий и других областях, но масштабы их применения были весьма ограничены. В последние годы, с непрерывным повышением мощности лазеров, и что особенно важно, полупроводниковые лазеры и волоконные лазеры постепенно развивают сценарии применения лазерной сварки, преодолевая технические ограничения лазерной сварки и открывая новые рыночные возможности.
(1) Применение технологии лазерной сварки в автомобилестроении
С развитием науки и техники, а также повышением уровня потребления и качества жизни населения, требования к легкости и эстетичности кузовов автомобилей в автомобилестроении постоянно растут. Технология лазерной сварки выделяется благодаря превосходному качеству обработки, высокому качеству продукции и эффективности работы и быстро становится фаворитом среди технологий сварки в автомобилестроении.
В автомобилестроении технология лазерной сварки в основном используется в таких процессах, как лазерная сварка толстых стальных пластин, лазерная сварка автомобильных узлов и подсистем, а также лазерная сварка деталей автомобилей. Автопроизводители в некоторых европейских и американских странах начали применять технологию лазерной сварки относительно рано, начиная с 1980-х годов. Audi, Mercedes-Benz, GM и другие известные автомобильные марки начали внедрять технологию лазерной сварки в производство автомобилей в то время, что способствовало углубленному применению и развитию технологии лазерной сварки в автомобильной промышленности.
Лазерная сварка силовых батарей, пожалуй, является наиболее востребованным направлением сварочных работ в последние годы, что дает мощный импульс производителям лазерного оборудования. Второе место занимает сварка кузовов и деталей автомобилей. Китай — крупнейший в мире автомобильный рынок, где постоянно появляются как старые, так и новые автомобильные компании, насчитывающие около 100 марок. Большинство производителей используют сварочные технологии киловаттного уровня или автоматизированные линии лазерной сварки; особенно в области силовых батарей ведущие компании по производству аккумуляторов для возобновляемой энергетики используют большое количество лазерного сварочного оборудования.
4.Каковы тенденции развития технологии лазерной сварки?
С дальнейшим развитием и прорывами в сварочных технологиях уникальность лазерной сварки становится все более очевидной в процессе исследований и разработок. Лазерная сварка позволяет быстро и эффективно сваривать металлические материалы. Благодаря своим высоким фокусирующим характеристикам, лазерный луч генерируется с чрезвычайно высокой плотностью мощности, что позволяет ему выделять большое количество тепловой энергии за очень короткое время, тем самым значительно повышая эффективность сварки и обеспечивая ее качество.
Кроме того, благодаря мгновенному эффекту сварки, лазерная сварка имеет очень широкие перспективы применения. В практическом применении лазерной сварки, когда лазерный луч непосредственно облучает поверхность металлического материала, он не воздействует на металл за пределами зоны облучения, поэтому в процессе сварки не происходит значительного повреждения поверхности, и после завершения сварки нет необходимости в дополнительной обработке поверхности. Это делает лазерную сварку особенно подходящей для обработки поверхностей различных прецизионных деталей, позволяя быстро выполнять даже более сложные сварочные операции.
Более того , в прежних технических условиях сварки обычно оговаривалось, что требования к материалам для всех свариваемых материалов должны быть одинаковыми. С использованием технологии лазерной сварки отпадает необходимость в существенных ограничениях на материалы свариваемых материалов, поэтому даже сварка материалов разного состава может быть легко выполнена с помощью лазерной сварки. Можно сказать, что появление и широкое применение технологии лазерной сварки эффективно преодолели проблемы традиционной сварки и упростили выполнение традиционных сварочных работ.
После более чем полувекового развития технический уровень технологии лазерной сварки также неуклонно совершенствовался, и она постепенно получила широкое распространение во все большем количестве отраслей промышленности.
В таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, электроника, машиностроение, металлургия, автомобилестроение, производство медицинского оборудования и других, технология лазерной сварки играет все более важную роль. Например, при производстве автомобильных деталей технология лазерной сварки может использоваться для обработки и изготовления обшивочных элементов транспортных средств, а такие передовые страны, как США и Япония, также применяют технологию лазерной сварки для производства авиационных деталей в среде чистого азота.
