Зварювання волоконним лазером: новий еталон ефективних технологій з’єднання в обробці нержавіючої сталі

У промислових галузях, таких як обробка нержавіючої сталі, обладнання для атомної енергетики та виробництво автомобілів, зварювання є ключовим процесом, що забезпечує герметичність і міцність конструкцій. Традиційні технології зварювання страждають від проблем, таких як неоднорідна глибина проплавлення, великий тепловий вплив та низька ефективність. Зварювання волоконним лазером зі своїми перевагами глибоких швів, високої швидкості та високого рівня автоматизації став уподобаним рішенням для зварювання нержавіючої сталі. Як основне обладнання для лазерного зварювання, продуктивність та оптимізація параметрів волоконних лазерів безпосередньо визначають якість зварювання, що сприяє розвитку технології лазерного зварювання як однієї з найперспективніших передових технологій з’єднання у XXI столітті.

Зварювання волоконним лазером — це технологія з’єднання, яка використовує високоенергетичні лазерні промені, що випромінюються волоконними лазерами, для досягнення з’єднання металів за рахунок теплопровідності або глибокого проникнення. Порівняно з традиційними процесами, такими як дугове зварювання та зварювання тертям, воно має значні переваги: висока електро-оптична ефективність із низькими втратами енергії; відмінна якість лазерного променя, яка при фокусуванні забезпечує надзвичайно високу щільність енергії й дозволяє отримувати шви з великим співвідношенням глибини до ширини; низький тепловий вплив, що зменшує деформацію під час зварювання й зберігає властивості сталевих субстратів із нержавіючої сталі; відсутність потреби у вакуумному середовищі; висока швидкість зварювання, придатна для масового виробництва.

Зварювання волоконним лазером поділяється переважно на два режими: зварювання теплопровідністю та зварювання з глибоким проникненням. Зварювання теплопровідністю характеризується низькою щільністю потужності (менше ніж 10⁴–10⁵ Вт/см²), мізерною глибиною проникнення та повільною швидкістю, тому його застосовують для з’єднання тонких компонентів із нержавіючої сталі. Зварювання з глибоким проникненням характеризується високою щільністю потужності (понад 10⁵–10⁷ Вт/см²), при якій на поверхні металу утворюється «ключова порожнина» (keyhole), а тепло ефективно передається через цю порожнину. Цей режим має високу швидкість зварювання та велику глибину проникнення, що робить його ідеальним для зварювання труб і листів із нержавіючої сталі середньої та великої товщини. У процесі обробки нержавіючої сталі зварювання волоконним лазером дозволяє ефективно уникнути дефектів, характерних для традиційних методів зварювання, таких як неповне проплавлення та неоднорідні шви, забезпечуючи герметичність та структурну стабільність компонентів. Його широко застосовують у галузях, де пред’являються жорсткі вимоги до якості зварювання, зокрема в атомній енергетиці та аерокосмічній промисловості.

Якість зварювання волоконним лазером залежить переважно від точного регулювання таких параметрів, як фокусна відстань та величина дефокусування. Фокусна відстань — це відстань від точки фокусування лазерного променя до лінзи після проходження через збираючу лінзу; вона безпосередньо впливає на діаметр плями та щільність енергії — діаметр плями прямо пропорційний фокусній відстані. Надто велика фокусна відстань призводить до розсіювання енергії й унеможливлює ефективне проплавлення; надто мала фокусна відстань спричиняє надмірну концентрацію енергії, що може призвести до прожарювання основного матеріалу. Перед фактичним зварюванням необхідно відкалібрувати фокусну точку за допомогою таких методів, як зварювання з похилого сканування: переміщуйте лазерну зварювальну головку від нижнього до верхнього положення — найвужча частина шва вказує на фокусну точку, де щільність енергії є максимальною, а результат зварювання — оптимальним.

Як відхилення фокусної відстані, величина дефокусування має більш значний вплив на глибину проплавлення зварного шву. Під величиною дефокусування розуміють відстань відхилення фокусної точки від поверхні оброблюваної деталі під час фактичного зварювання; розрізняють позитивне дефокусування (фокусна точка розташована над деталлю) та негативне дефокусування (фокусна точка розташована під деталлю). Експерименти показують, що негативне дефокусування частіше забезпечує більшу глибину проплавлення. Коли величина дефокусування знаходиться в діапазоні від –4 мм до –2 мм, глибина проплавлення може перевищувати 2 мм, що задовольняє вимоги до зварювання нержавіючих сталевих труб із товщиною стінки 2,5 мм. Натомість чим більша позитивна відстань дефокусування, тим менша глибина проплавлення. При позитивному дефокусуванні 4 мм глибина проплавлення становить лише 1,15 мм, що ускладнює виконання вимог до міцності зварного з’єднання. Наприклад, під час зварювання нержавіючих сталевих труб робота за теоретичною фокусною відстанню, вказаною в інструкції до обладнання, може призвести до неповного проплавлення через надмірну фактичну величину дефокусування. Тому після визначення фокусної відстані за допомогою фактичної калібрування необхідно оптимізувати параметри негативного дефокусування, щоб досягти ідеального зварювального ефекту.

Волоконне лазерне зварювання знайшло стабільне застосування в різних промислових галузях і стало ключовим етапом підвищення якості продукції. У сфері обробки нержавіючої сталі його використовують для герметичного зварювання труб та листів. Шви є рівними й мають однорідну проплавленість, що забезпечує надійність компонентів у складних умовах експлуатації. У галузі обладнання для атомної енергетики, щоб задовольнити вимоги до зварювання прецизійних компонентів, низька деформація та висока герметичність волоконного лазерного зварювання дозволяють відповідати суворим стандартам якості. У виробництві автомобілів та залізничних вагонів його переваги — висока ефективність та автоматизація — значно підвищують продуктивність виробництва й знижують виробничі витрати.