Лазерне зварювання нержавіючої сталі

Лазерне зварювання нержавіючої сталі - це процес з'єднання плавленням, при якому відбувається злиття матеріалів за допомогою тепла, отриманого від концентрованого променя когерентного монохроматичного світла, що падає на зварювану сполуку, і, отже, він відноситься до групи з'єднань в рідкій фазі.

Необхідна енергія виходить від сфокусованого лазерного променя, що локально створює ванну розплаву, яка переміщається вздовж стику, утворюючи зварний шов. Ці шви, одержані лазерним зварюванням, зазвичай вужчі, ніж ті, які можна отримати за допомогою традиційних методів зварювання. Здатність лазерного зварювання створювати точні, повторювані з'єднання на високих швидкостях процесу пропонує унікальну альтернативу зварюванню TIG, електронно-променевому зварюванню та контактному зварюванню. Сфокусований лазерний промінь є одним із джерел з найвищою щільністю потужності, доступних сьогодні у промисловості. За щільністю потужності він аналогічний до електронного променя.

Разом ці два процеси є частиною нової технології обробки з високою щільністю енергії. Однак при зварюванні лазером не потрібний вакуум і захист від рентгенівського випромінювання, оскільки лазер може поширюватися через повітря або вакуум із мінімальними втратами енергії. Ці технологічні аспекти забезпечують конкурентні переваги лазерного зварювання перед електронно-променевим зварюванням з погляду експлуатації та витрат. Більше того, на відміну від електронно-променевого зварювання, лазерним зварюванням можна зварювати не тільки нержавіючий метал, а й широкий спектр різноманітних матеріалів.

Оскільки лазерне зварювання являє собою процес з високою щільністю енергії, матеріал, що зазнав дії гостро сфокусованого лазерного променя, може миттєво розплавитися або навіть випаруватися, утворюючи глибоку замкову щілину, і зварювання завершується до того, як велика кількість тепла піде в основну частину заготовки. Таким чином, лазерне зварювання забезпечує кращу якість зварного шва, більшу глибину проплавлення і менше пошкодження або деформацію деталі, що зварюється. Більше того, таке низьке тепловкладення в зварне з'єднання має позитивні металургійні наслідки.

Лазер може запропонувати щось особливе як високошвидкісний і високоякісний зварювальний інструмент. Він також має переваги в сферах, що вимагають зварювання термочутливих компонентів, таких як кардіостимулятори, поршні, зібрані зі встановленими шайбами, опора сідла клапана на нижньому тонкому ситі і тонкий діафрагмі на великих оправах.

Важливим механізмом лазерного зварювання є взаємодія лазерного променя із нержавіючим матеріалом. На цей механізм взаємодії впливають багато параметрів, такі як потужність лазера, розподіл інтенсивності цієї потужності на поверхні, швидкість зварювання, властивості матеріалу, подача захисного газу та довжина хвилі лазерного випромінювання. Існує два режими зварювання лазером: кондуктивне зварювання та зварювання із замковою свердловиною або зварювання з глибоким проплавленням. Кожний режим характеризується різними явищами взаємодії лазерного матеріалу.

Переваги лазерного зварювання нержавіючої сталі

З’єднання окремих деталей з нержавіючої сталі за допомогою високоефективного процесу лазерного зварювання є кращим порівняно з іншими методами зварювання або з’єднання в багатьох автомобільних, медичних, військових і аерокосмічних застосуваннях, оскільки з’єднання лазерного зварювання забезпечують найвищу міцність і низку інших переваги. До них належать:

Невелика зона теплового впливу: з’єднання з нержавіючої сталі часто мають бути не тільки міцними, але й косметично чистими. Лазер пропонує найменшу зону теплового впливу. Це також робить лазерне зварювання ідеальним для виробів із складною структурою зварних швів або там, де важкодоступна зона зварювання. Оскільки лазерний промінь можна сфокусувати дуже точно, є менша ймовірність пошкодження, виїмки або деформації навколишніх поверхонь.
Чистота процесу: оскільки операція лазерного зварювання є просто плавленням металів, (як правило) немає необхідності в присадкових матеріалах і немає ніяких додаткових ризиків для навколишнього середовища. Найчастіше це робить лазерне зварювання найбільш економічним та екологічно чистим варіантом. А в кінцевих продуктах, таких як трубки з нержавіючої сталі, що використовуються в медичних приладах та хірургічних цілях, загальна чистота лазера гарантує, що продукція буде вироблена без забруднень та задирок.
Менше корозії: при зварюванні TIG або MIG електрод, що використовується для зварювання, містить сліди вологи. Тепло зварювання призводить до швидкого розкладання води, при цьому виділяється водень, який потрапляє в нержавіючий метал, роблячи його крихким. Оскільки при лазерному зварюванні не використовується електрод для проведення тепла, ризик мимовільної корозії відсутній.
Точність: вихідна потужність, розмір зварного шва, глибина зварного шва, швидкість зварювання та траєкторія лазерного променя по поверхні нержавіючої сталі легко контролюються. В результаті виходить дуже точний зварний шов. Завдяки такому оптимальному контролю навіть найтонші листи нержавіючої сталі можна зварювати лазером.
Зниження теплової деформації. Додатковою перевагою лазерного зварювання нержавіючої сталі є зниження термічної деформації та залишкової напруги в порівнянні з традиційними методами зварювання. Це особливо важливо для нержавіючих сталей, теплове розширення яких на 50% більше, ніж у простих вуглецевих сталей.
Автоматизація. Ще однією перевагою ретельно контрольованого процесу є те, що лазерне зварювання є легко програмованим та роботизованим. Оскільки його легко автоматизувати в порівнянні з методами зварювання в інертному газі (MIG) або вольфрамовому інертному газі (TIG), можна досягти більшої повторюваності і вищої продуктивності.
Висока швидкість зварювання. Лазерне зварювання є швидким процесом, оскільки лазерний промінь можна швидко переміщати вздовж з’єднання, що забезпечує ефективне та високошвидкісне зварювання.

Переваги лазерного зварювання нержавіючої сталі Лазерне зварювання нержавіючої сталі нині дедалі частіше застосовується у промисловому виробництві від мікроелектроніки до суднобудування. Однак автомобілебудування входить до числа промислових секторів, які виявилися найбільш визначними в розробці додатків, які використовують багато переваг цієї технології.

Оскільки джерелом тепла є енергія світла, заготівля зварюється чисто що призводить до чудової втомної міцності зварного з'єднання. Лазерне зварювання може бути конкурентоспроможним за вартістю завдяки мінімальному часу налагодження, низьким витратам на кріплення, високій швидкості подачі та високій енергоефективності. Отримані зварні шви зазвичай мають мінімальні спотворення деталей із зменшеним випрямленням та зменшеними післязварювальними витратами.

Ці характеристики зробили лазерне зварювання кращим процесом для багатьох додатків, в яких раніше використовувалося традиційне зварювання. Лазерне зварювання має ще одну стратегічну перевагу, що дозволяє відкрити двері для безлічі нових програм. Сучасні багатовісні станції лазерного зварювання можуть забезпечити точне і повторюване зварювання. Однак успішне лазерне зварювання вимагає поєднання відповідної конструкції зварного з'єднання, керування рухом, конструкції пристосувань, металургії, виробництва системи контролю та якості. Можуть використовуватися всі три найпоширеніші конфігурації з'єднань: внакладку, встик або заокруглення. Але кращим є тісний контакт між матеріалами на місці з'єднання. У рамках цих умови, висока якість зварних швів з низькою пористістю та контрольованою зернистістю. Може бути досягнута постійна глибина та ширина зварного шва.

Захисні гази для лазерного зварювання

Поглинання та розсіювання лазерного променя внаслідок утворення плазми мають другорядне значення при лазерному зварюванні нержавіючих сталей на відміну від лазерного зварювання звичайних вуглецевих сталей. В результаті гелій та його суміші можуть бути не особливо корисні як захисні гази при лазерному зварюванні нержавіючих сталей. Вибір захисних газів для лазерного зварювання нержавіючої сталі багато в чому визначається необхідністю забезпечення захисту від окислення. Аргон вже багато років використовується як зварювальний газ для малопотужного лазерного зварювання (менше 1000 Вт) невеликих деталей з нержавіючої сталі. Аргон також може застосовуватися при зварюванні великої потужності (1-5 кВт). При зварюванні аустенітних нержавіючих сталей аргон 6 - 10%. Водень можна використовувати для зменшення поверхневих оксидів та отримання блискучих поверхонь зварних швів. Вибір аргону як захисного газу, своєю чергою, знижує собівартість продукції.

Нержавіюча сталь поділяється на чотири типи відповідно до властивостей металу кожного типу. Кожен тип нержавіючої сталі має свої особливості та різні вимоги до лазерного зварювання.

Лазерне зварювання аустенітної нержавіючої сталі

Цей тип нержавіючої сталі підходить як для імпульсного, так і для лазерного зварювання безперервною хвилею. Лазерне зварювання аустенітної нержавіючої сталі забезпечує дещо кращу глибину зварного шва та підвищену швидкість зварювання порівняно з низьковуглецевими сталями завдяки нижчій теплопровідності більшості аустенітних нержавіючих сталей. Вищі швидкості лазерного зварювання також сприяють зниженню сприйнятливості до корозії, спричиненої осадженням карбідів хрому на межах зерен. Карбіди хрому можуть випадати в осад, якщо під час зварювання надто високе підведення тепла.

Лазерне зварювання феритної нержавіючої сталі

Феритна нержавіюча сталь, як правило, містить мало нікелю або зовсім не містить нікелю і не має такої гарної здатності до лазерного зварювання порівняно з аустенітними марками нержавіючої сталі. Лазерне зварювання феритних марок нержавіючої сталі в деяких випадках погіршує в'язкість з'єднання і стійкість до корозії. Зниження ударної в'язкості частково пов'язане з утворенням грубих зерен у зоні термічного впливу та утворенням мартенситу, яке відбувається в марках з високим вмістом вуглецю. Зона термічного впливу може мати більш високу твердість через швидке охолодження, що підвищує крихкість.

Лазерне зварювання мартенситної нержавіючої сталі

Мартенситна нержавіюча сталь є складнішою для лазерного зварювання, ніж аустенітна та феритна сталь. Лазерне зварювання з високим вмістом вуглецю мартенситу (> 0,15% вуглецю) може призвести до крихкості матеріалу в зоні термічного впливу. Якщо необхідно зварювати мартенситну нержавіючу сталь із вмістом вуглецю понад 0,1%, то використання наповнювача з аустенітної нержавіючої сталі може покращити міцність зварного шва та зменшити схильність до розтріскування, але не може зменшити крихкість у зоні термічного впливу. Зменшити крихкість в зоні термічного впливу допоможе попередній нагрів матеріалу перед зварюванням або відпуск при 650 °C - 750 °C після лазерного зварювання.

Лазерне зварювання дуплексної нержавіючої сталі

Дуплексні нержавіючі сталі - це суміш аустенітно-феритних нержавіючих сталей. Ці нержавіючі сталі характеризуються двофазною мікроструктурою, яка містить аустеніт і ферит. Об'ємні частки аустеніту і фериту приблизно рівні. Основними легуючими елементами є хром, нікель і молібден. Дуплексні нержавіючі сталі зазвичай також леговані невеликою кількістю азоту. Дуплексний матеріал зазвичай добре зварюється лазером.

По можливості, слід уникати використання марок вільної механічної обробки, оскільки ці нержавіючі сталі містять сірку, яка може призвести до гарячих тріщин під час лазерного зварювання.

Недоліки лазерного зварювання нержавіючої сталі

Лазерне зварювання нержавіючої сталі широко використовується у виробництві завдяки своїй точності, швидкості та універсальності. Воно використовує висококонцентрований світловий промінь для плавлення та з'єднання матеріалів, створюючи міцні та надійні з'єднання.

Лазерне зварювання нержавійки, як і будь-який інший метод зварювання, має деякі недоліки, які слід враховувати. Інженери та виробники повинні знати про ці недоліки, щоб мати можливість вибрати найкращий метод зварювання для своїх конкретних застосувань.

Висока вартість. Порівняно з іншими методами зварювання нержавіючої сталі, обладнання для лазерного зварювання зазвичай потребує більших початкових інвестицій. Сучасна оптика, системи управління, техніка безпеки - все це особливості складних лазерних зварювальних апаратів. Крім того, обладнання для лазерного зварювання може мати високі витрати на ремонт та обслуговування. Вимога до спеціалізованої освіти та досвіду також підвищує загальну вартість. Через ці високі витрати лазерне зварювання може не підходити для деяких застосувань для малих підприємств або виробників з обмеженим бюджетом. Однак у деяких галузях і застосуваннях потенційні можливості та переваги лазерного зварювання можуть переважити початкові витрати.
Обмежена глибина проникнення. Хоча лазерне зварювання ефективне для з’єднання тонких матеріалів, воно може мати проблеми зі з’єднанням більш товстих матеріалів або деталей з великими зазорами в з’єднанні. Зменшення глибини проникнення відбувається в результаті втрати енергії в лазерному промені, коли він просувається глибше в матеріал. Найкращим варіантом є електронно-променеве зварювання, коли йдеться про отримання повного та безшовного шва за один прохід. Цей метод використовує силу електронних променів, щоб забезпечити зварювання глибоким проварюванням, забезпечуючи міцне та бездоганне з’єднання за один швидкий прохід. Лазером доведеться виконувати два проходи з кожної сторони, якщо це можливо.
Чутливість до різних типів нержавіючої сталі. Деякі марки нержавіючої сталі, особливо з високим вмістом вуглецю, можуть бути схильні до розтріскування, деформації або зміни властивостей матеріалу через швидкі цикли нагрівання та охолодження, пов’язані з лазерним зварюванням. Ця чутливість до матеріалу вимагає ретельного розгляду та оптимізації параметрів зварювання, щоб забезпечити успішне зварювання та уникнути потенційних дефектів.
Безпека. Лазерні промені високої інтенсивності, які використовуються під час лазерного зварювання, можуть становити небезпеку для операторів і навколишнього середовища. Прямий вплив лазерного променя може призвести до важких травм очей, опіків і пошкоджень шкіри. Крім того, процес утворює гази, випаровані частинки та пари, які можуть бути шкідливими або токсичними при вдиханні. Необхідно вжити відповідних заходів безпеки, таких як носіння захисних окулярів, використання правильних систем вентиляції та дотримання процедур безпеки. Нещасні випадки, травми та довгострокові проблеми зі здоров’ям можуть виникнути через невирішення цих питань безпеки.
Обмежений доступ. Враховуючи, що лазерний промінь може отримати доступ лише до певної частини з’єднання, необхідно враховувати розмір і форму компонентів, які необхідно зварити. Процес зварювання деталей з нержавіючої сталі зі складною геометрією або у важкодоступних місцях може бути складним. Крім того, щоб досягти повного проплавлення з’єднання, процес зварювання може потребувати кількох проходів або зміни позиції деталей, що може подовжити та ускладнити процес зварювання.
Міцність зварного шва. Лазерне зварювання може призвести до зниження міцності зварного шва деяких марок нержавіючої сталі через такі фактори, як високі швидкості охолодження, неповне розплавлення або проплавлення, чутливість до властивостей матеріалу та обмеження конструкції з’єднання. Ці фактори можуть спричинити слабкість зв’язків у з’єднаннях, зварених лазером, і зменшити їх загальну міцність. Щоб максимізувати міцність зварного шва та гарантувати надійність і довговічність з’єднань, зварених лазером, важливо ретельно оцінити параметри зварювання, сумісність матеріалів і термічну обробку після зварювання.

Фактори навколишнього середовища які впливають на лазерне зварювання нержавіючої сталі

На процеси лазерного зварювання нержавіючих сталей можуть суттєво впливати такі фактори навколишнього середовища, як температура та вологість.

Температура

Високі температури потенційно можуть погіршити якість зварювання, спричиняючи термічну деформацію та впливаючи на властивості матеріалу.

Вологість

Вологість може призвести до того, що зона зварювання стане пористою та послабить з’єднання. Високий рівень вологості також може принести вологу в зону зварювання, поглинаючи енергію лазера та знижуючи ефективність зварювання. Для подолання цих труднощів можна використовувати системи охолодження або середовища з контрольованою температурою, щоб підтримувати стабільні робочі умови. Наприклад, осушувачі або системи сушіння можна використовувати для мінімізації впливу вологи під час лазерного зварювання, забезпечуючи надійну та стабільну якість зварювання.

Безпека лазерного зварювання нержавіючої сталі у важкодоступних місцях

У порівнянні з іншими видами зварювання, лазерне зварювання в обмеженому просторі може представляти особливі проблеми з погляду безпеки. Проблема полягає в тому, що лазерний промінь може стати причиною нещасних випадків або пошкоджень, якщо він не буде правильно спрямований або не контролюватиметься. Однією із стратегій є впровадження складних систем моніторингу, які постійно перевіряють процес зварювання та виявляють будь-які аномалії чи відхилення. Оператори можуть швидко усувати будь-які потенційні ризики безпеки завдяки зворотному зв'язку в режимі реального часу. Крім того, важливо запровадити суворі процедури безпеки та провести ретельну підготовку операторів. Для забезпечення безпеки операторів і персоналу, що знаходиться поруч, слід використовувати захисні заходи, такі як лазерний захист, захисні окуляри та відповідні засоби індивідуального захисту. Крім того, регулярні перевірки та технічне обслуговування обладнання для лазерного зварювання допомагають виявити будь-які потенційні проблеми та гарантувати його максимальну продуктивність, знижуючи ризик нещасних випадків.

Вплив лазерного випромінювання на здоров'я людини

Вплив випромінювання під час лазерного зварювання на здоров'я у довгостроковій перспективі може різнитися залежно від ступеня та тривалості дії, а також індивідуальної сприйнятливості. Тривалий вплив високоінтенсивного лазерного випромінювання може спричинити пошкодження очей, опіки шкіри та легеневу інфекцію. Необхідно вжити різних заходів безпеки, щоб захистити людей від цих ризиків. Це передбачає застосування суворих процедур безпеки, таких як використання відповідного лазерного захисту і кожухів для зменшення витоку випромінювання, а також обов'язкове носіння операторами спеціальних захисних окулярів для лазерного захисту. Ретельне налаштування та контроль часу впливу необхідні для мінімізації довгострокових наслідків для здоров'я від впливу випромінювання лазерного зварювання, а також регулярний моніторинг стану здоров'я, навчання та дотримання правил техніки безпеки. Ці запобіжні заходи допомагають запобігти надмірному радіаційному впливу на працівників і одночасно знизити ризики.

Як потужність лазера впливає на якість лазерного зварювання нержавіючої сталі ?

Вихід (або потужність) лазера має великий вплив на ефективність лазерного зварювання. Глибина, ширина, підведення тепла та загальне проплавлення зварного шва безпосередньо залежать від рівня потужності. Неповні зварні шви можуть бути результатом недостатньої потужності, тоді як у разі використання надмірної потужності може статися пошкодження нержавіючого матеріалу. Точне керування лазерним виходом має важливе значення для забезпечення стабільності та високої якості. Досягти цього можна за допомогою передових лазерних систем із надійними джерелами живлення та замкнутими механізмами зворотного зв’язку.

Чи залежить якість лазерного зварювання нержавіючої сталі від типу лазера ?

Так, тип джерела лазера, що використовується, впливає на якість лазерного зварювання нержавіючої сталі. Різні лазери виробляють різні довжини хвиль світла і мають різну тривалість імпульсу та потужність. Наприклад, CO2-лазери найкраще підходять для зварювання з глибшим проплавленням товстих матеріалів, тоді як волоконні лазери зазвичай використовуються для високошвидкісного зварювання тонких матеріалів. Крім того, лазери Nd:YAG популярні в аерокосмічній галузі завдяки своїй здатності до точного зварювання. Тому вибір типу лазера залежить від товщини нержавіючого металу, марки нержавіючої сталі, необхідної швидкості зварювання, геометрії з'єднання та бажаної якості зварювання.

Чи є обмеження лазерного зварювання під водою чи у космосі ?

При використанні в космосі або під водою на лазерне зварювання поширюються особливі обмеження. Підводне зварювання стикається з такими труднощами, як здатність води поглинати енергію лазера та необхідність вжиття заходів проти швидкого охолодження. Щоб обійти ці обмеження та створити ефективні процеси лазерного зварювання для підводних та космічних застосувань, дослідники досліджували деякі методи, у тому числі лазерне зварювання, яке не потребує роботи захисних газів або вакуумного середовища. Ще 1989 року вчені НАСА вже знали про його потенціал та спеціально рекомендували включати його до комплектів аварійного ремонту супутників та космічних станцій. Завдяки цим покращенням зварні шви у складних умовах стануть надійними та якісними.

Сфери застосування лазерного зварювання нержавіючої сталі

Лазерне зварювання нержавіючих сталей використовується у багатьох галузях промисловості, оскільки це універсальний метод з'єднання. Деякі типові сфери застосування лазерного зварювання:

Автомобільна промисловість: зварювання кузовів автомобілів, вихлопних систем та компонентів двигунів;
Аерокосмічна промисловість: зварювання авіаційних конструкцій, двигунів та паливних систем;
Медична промисловість: зварювання імплантатів, інструментів та медичного обладнання з медичної / хірургічної нержавіючої сталі;
Електронна промисловість: зварювання електронних компонентів, акумуляторів та різних датчиків;
Ювелірна промисловість: зварювання дорогоцінних нержавіючих металів та корозієстійких сплавів для виготовлення ювелірних виробів;
Виготовлення сувенірної продукції: фляги з нержавіючої сталі, термоси та інші тонкостінні вироби;
Харчова промисловість та інші.

Як бачите, незважаючи на велику кількість переваг лазерного зварення нержавіючої сталі у цього процесу є і свої недоліки. Врахуйте це при виборі чи при відмові від використання такого методу зварювання для металоконструкцій та виробів із нержавіючої сталі.