Преимущества использования лазерной резки и сварки в промышленности
В середине 20 века инженерами Басовым, Таунсом, Прохоровым были изобретены мощные лазеры, сваривающие металл. В 2019, технологии шагнули дальше: пикосекундным устройством стекло было сварено с металлическим элементом, несмотря на разные температуры плавления, степень расширения при нагреве.
Резать же таким способом материал, применяя рубиновый кристалл, предложил в 1960 г изобретатель Т. Х. Майман. А японская корпорация Амада Компани немного позже создала промышленный станок резки стальных листов лучом.
Общие сведения о лазерной резке и сварке
Лазерная сварка – способ соединения металлических, пластиковых, стеклянных деталей посредством локального плавления. Излучение фокусируется последовательно в пучки меньшего сечения, выводится на поверхность, частично поглощается. Затем разогревает поверхность, сплавляет его. Допускается применение сплавного порошка, проволоки для увеличения размеров швов.
При резке лазером пучок энергии греет участок, воспламеняет его, испаряет материал. Возможно выдувание испаряемых частичек газом.
Значение этих технологий в промышленности
Лазерная резка используется в автомобилестроении с возможностью создавать сразу несколько моделей, быстро перепрофилировать производство. Листы металлов для судов, разделенные таким способом, обладают точной перпендикулярностью разреза, малой его зашлакованностью, гладкими кромками, сложными изгибами. Это важно для последующих герметичных соединений. Лазером вырезаются элементы кухонной техники, посуды, пазы/канавки на толстых пластинах строительной техники, что невозможно сделать это быстро другими методами резки.
Сварка лучом лазера производится повсеместно, включая малые мастерские. Швы получаются прочными, почти монолитными, при необходимости, крайне малой глубины.
Преимущества лазерной резки
Раскрой механическим способом, газовыми методиками не позволял получать высокое качество кромок (это возможно сделать гидрометодом с подачей воды под большим давлением), резать сверхтонкие листы. Эти недостатки были устранены в резке лазером с появлением новых достоинств:
Точность и высокая скорость работы
Скоростные характеристики операции зависят от обрабатываемой поверхности, мощности. К примеру, черную сталь 1.5 см устройство 2.5 киловатта режет на скоростях 12 см / мин. Оргстекло той же толщины обрабатывается быстрее 0.5 КВт-ным станком, т.е. резка на мощностях в 5 раз меньше.
Точность достигается предварительным созданием файла в чертежной программе. При перенесении его на станок-автомат, нужное количество копий деталей создается резкой с минимальными погрешностями.
Возможность обработки различных материалов
Лазером нарезаются: картон, бумага, дерево в сухом виде и его производные (древесно-стружечные плиты, ДВП, фанеры), пластики, металлы, включая черные, цветные, легированные. Установки, вопреки мифам, хорошо режут стекло, так как идеально прозрачного вещества не существует. При определенных настройках допускается резка под стеклянными поверхностями.
Исключение – это зеркальные изделия, отражающие импульс почти полностью. Толщина обрабатываемых компонентов: от 0.2 до 25-40 мм. Лучше всего режутся образцы с низким уровнем теплопроводности. Значительная проводимость тепла допускает образование грата – выдавливаемого металла.
Минимальные потери материала
Лазерный луч легко преодолевает неоднородности, к примеру сучки в древесине. Рез будет идеально перпендикулярный, что сократит количество брака. Механический же инструмент неизбежно наткнется на такое препятствие. Высокая точность исполнения позволяет располагать детали рядом друг с другом. Последнее сокращает расход металла, дерева или стекла, минимизировать отходы/себестоимость единицы продукции.
Малая вероятность деформации деталей
При нарезании лазерными пучками нет механического воздействия, только энергетическое. Поэтому к обработке допускаются мягкие, хрупкие изделия.
Преимущества лазерной сварки
До начала 20 века соединение двух металлов выполняли ковкой: механическим соединением деталей давлением с предварительным нагревом. Потом – посредством электрической дуги и др. Все методы были с рядом недостатков (например, неприятный запах) частично устраненных при сварке пучком лазера. У способа выявлены следующие преимущества:
Высокая прочность и качество шва
Работы подразделяются на микросварные: глубина до 100 микрометров, мини и макросварные: до 1 мм и более 1 миллиметра соответственно. Швы получаются гладкими, прочными, без «заусенцев» по краям, необходимости дополнительной обработки, например, шлифованием. Роботизированные станки выполняют операции полностью самостоятельно, что устраняет влияние человеческого фактора. Плотность места сварки – до 95% этого показателя у основной поверхности.
Минимальное воздействие на окружающие материалы
Термическое воздействие на части конструкции минимизировано. Это обусловлено микро-размерами «сварочной ванны». Энергия концентрируется в локации размером часто менее 1 мм, идет быстрый разогрев и такое же быстрое охлаждение, что дает малые деформации свариваемых конструкций. Сварка не дает искр, неприятных запахов, используется и в закрытых помещениях с вентиляцией.
Удобство в работе с различными материалами
Штампованная, нержавеющая стали варятся лазером легко, без предварительного подогрева, особенно тонкие образцы при применении маломощного источника энергии. Допускается соединение стекла, керамики, серебра, металлов с разным количеством углерода, всех термопластов, эластомеров, сплавов алюминия/магния. С подогревом соединяются медь/ее сплавы. Без защиты инертным газом создаются изделия из титана, вольфрама. Используемые методы: внахлест и встык. Возможны непрерывные сварочные операции для большемерных поверхностей, импульсные – для сложной конфигурации, точечная пайка.
Экономия времени и ресурсов
Сварные работы не дают загрязнения окружающей среды, почти не требуют расходных материалов: присадочные проволоки, при необходимости, подаются толщиной с сам луч. Операции выполняются в 6 раз быстрее на один проход по сравнению с электродуговыми. Лазерная сварка идет со скоростью до 100 метров/ч, дуговая – до 15 м/1 ч, с необходимостью 5-7 повторений.
Применение лазерной резки и сварки в различных отраслях промышленности
В приборостроении, при создании электроники, производстве полупроводников, ювелирных изделий применяются, преимущественно сварочные установки малой мощности. Станки с программным управлением незаменимы для высокоточной резки по шаблонам в самолетостроении. Таким образом, лазерные инструменты используются при создании микро- и макрообъектов, в том числе в нижеприведенных отраслях:
Автомобильная промышленность
Лазерная резка и последующая сварка кузова из стальных листов толщиной 2 мм ведется на автопредприятиях в роботизированном режиме. Это позволяет создать красивые контуры, обеспечить прочность и коррозионную устойчивость за счет отсутствия окалины, работы в нейтральном газе. В автомастерских манипуляции со стальным корпусом машины выполняются ручным методом, с возможностью обрабатывать разные металлы одним аппаратом. Операции с блоками цилиндров/трансмиссии, дисками колес, выполненными из алюминия (очень текуч при разогреве, обладает высокой отражающей способностью, дает брызги, полости), равно как и создание электронных компонентов, требуют высокой квалификации работников.
Производство металлоконструкций
Популярные направления: строительство, сборка конструкций для пищевой промышленности, сварка корпусов, производство кухонных плит, лифтов, перил, ограждений, мебельных каркасов.
Медицинское оборудование
Посредством резки/сварки создаются кардиостимуляторы, слуховые аппараты, а также медицинские инструменты, зубные протезы.
Заключение
Лазерная сварка, резка при достаточно высокой стоимости оборудования, обладают высокой эффективностью за счет: скорости работ, автоматизации процессов, точности, минимального количества отходов, малого использования расходных материалов.