Сварка волоконным лазером: новый эталон эффективных технологий соединения при обработке нержавеющей стали

В промышленных областях, таких как обработка нержавеющей стали, оборудование для атомной энергетики и автомобильное производство, сварка является ключевым процессом, обеспечивающим герметичность и конструкционную прочность компонентов. Традиционные технологии сварки страдают от таких проблем, как неравномерное проплавление шва, высокий тепловой ввод и низкая эффективность. Файберная лазерная сварка с такими преимуществами, как глубокие швы, высокая скорость и высокий уровень автоматизации, стал предпочтительным решением для сварки нержавеющей стали. Будучи основным оборудованием для лазерной сварки, производительность и оптимизация параметров волоконных лазеров напрямую определяют качество сварки, способствуя тому, что технология лазерной сварки становится одной из наиболее перспективных передовых технологий соединения в XXI веке.

Сварка волоконным лазером — это технология соединения, при которой для достижения металлического соединения за счёт теплопроводности или глубокого проникновения используются высокоэнергетические лазерные лучи, излучаемые волоконными лазерами. По сравнению с традиционными процессами, такими как дуговая сварка и трением сварка, она обладает существенными преимуществами: высокая электрооптическая эффективность преобразования при низких потерях энергии; превосходное качество лазерного пучка, обеспечивающее при фокусировке чрезвычайно высокую плотность энергии и позволяющее получать швы с большим отношением глубины к ширине; низкий тепловой ввод, снижающий деформацию при сварке и сохраняющий эксплуатационные свойства основы из нержавеющей стали; отсутствие необходимости в вакуумной среде; высокая скорость сварки, подходящая для массового производства.

Сварка волоконным лазером в основном делится на два режима: сварку теплопроводностью и сварку глубокого проплавления. Сварка теплопроводностью характеризуется низкой плотностью мощности (менее 10⁴–10⁵ Вт/см²), небольшой глубиной проплавления и невысокой скоростью; она подходит для соединения тонких деталей из нержавеющей стали. При сварке глубокого проплавления плотность мощности высока (более 10⁵–10⁷ Вт/см²), на поверхности металла образуется «ключевое отверстие» (keyhole), и тепло эффективно передаётся через это отверстие. Такой режим обеспечивает высокую скорость сварки и большую глубину проплавления, что идеально соответствует требованиям к сварке средних и толстых труб и листов из нержавеющей стали. При обработке нержавеющей стали волоконная лазерная сварка позволяет эффективно избежать дефектов, характерных для традиционных методов сварки, таких как непровар и неравномерный шов, обеспечивая герметичность и структурную устойчивость деталей. Она широко применяется в областях с повышенными требованиями к качеству сварки — например, в оборудовании атомной энергетики и в аэрокосмической промышленности.

Качество сварки волоконным лазером в основном зависит от точной регулировки таких параметров, как фокусное расстояние и величина дефокусировки. Фокусное расстояние — это расстояние от точки фокусировки лазерного луча до линзы после прохождения через фокусирующую линзу; оно напрямую влияет на диаметр пятна и плотность энергии: диаметр пятна пропорционален фокусному расстоянию. Слишком большое фокусное расстояние приводит к рассеянию энергии и не позволяет достичь эффективного проплавления; слишком малое фокусное расстояние вызывает чрезмерную концентрацию энергии и может привести к прожигу основного материала. Перед фактической сваркой точку фокуса необходимо откалибровать, например, методом сварки с наклонным сканированием: переместите лазерную сварочную головку от низкого положения к высокому, при этом самая узкая часть шва будет соответствовать точке фокуса, где плотность энергии максимальна и сварочный эффект оптимален.

В качестве отклонения фокусного расстояния величина дефокусировки оказывает более значительное влияние на глубину проплавления сварного шва. Величина дефокусировки — это расстояние отклонения фокальной точки от поверхности обрабатываемой детали в процессе фактической сварки; она подразделяется на положительную дефокусировку (фокальная точка расположена над деталью) и отрицательную дефокусировку (фокальная точка расположена под деталью). Эксперименты показывают, что при отрицательной дефокусировке легче достичь большей глубины проплавления. При величине дефокусировки в диапазоне от −4 мм до −2 мм глубина проплавления может превышать 2 мм, что удовлетворяет требованиям к сварке труб из нержавеющей стали со стенкой толщиной 2,5 мм. Напротив, чем больше положительная величина дефокусировки, тем меньше глубина проплавления. При положительной дефокусировке, равной 4 мм, глубина проплавления составляет лишь 1,15 мм, чего недостаточно для обеспечения требуемой прочности сварного соединения. Например, при сварке труб из нержавеющей стали соблюдение теоретического фокусного расстояния, указанного в руководстве по эксплуатации оборудования, может привести к неполному проплавлению из-за чрезмерной фактической величины дефокусировки. После определения фокусного расстояния путём фактической калибровки необходимо оптимизировать параметры отрицательной дефокусировки для достижения идеального сварочного результата.

Сварка волоконным лазером достигла зрелого уровня применения в различных промышленных областях и стала ключевым этапом повышения качества продукции. В области обработки нержавеющей стали она применяется для герметичной сварки труб и листов. Швы получаются ровными и равномерно проплавленными, что обеспечивает надёжность компонентов в сложных эксплуатационных условиях. В области оборудования для атомной энергетики, с учётом требований к сварке прецизионных компонентов, низкая деформация и высокая герметичность при сварке волоконным лазером позволяют соответствовать строгим стандартам качества. В автомобильном производстве и производстве железнодорожных подвижных составов её преимущества — высокая эффективность и автоматизация — значительно повышают производительность и снижают себестоимость продукции.