Что такое лазерная сварка?

Лазерная сварка — это передовой метод сварки, использующий сфокусированный лазерный луч в качестве источника энергии. Луч с высокой плотностью энергии бомбардирует поверхность заготовки, генерируя тепло и расплавляя материал. Он продемонстрировал незаменимые преимущества в таких высокотехнологичных областях, как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, возобновляемая энергетика и электроника.

Лазерная сварка основана на принципе усиления стимулированного излучения, генерирующего высокомонохроматический и направленный лазерный луч через определенную среду. При плотности мощности 10⁴-10⁷ Вт/см² могут быть достигнуты два режима сварки:

Подходит для тонкостенных материалов (<1 мм), она передает тепло внутрь за счет нагрева поверхности, образуя глубокий сварной шов с неглубоким проплавлением. Типичные области применения включают герметизацию корпусов батарей мобильных телефонов и сварку тонкостенных гофрированных листов для датчиков.

Когда плотность мощности превышает 10⁵ Вт/см², поверхность материала испаряется, образуя эффект «замочной скважины». Лазерная энергия проникает непосредственно в материал через эту «замочную скважину», достигая соотношения глубины к ширине 10:1. В немецком автомобиле Audi A8 эта технология используется для сварки обшивки и ребер из алюминиевого сплава 6013, обеспечивая полное проплавление пластины толщиной 2 мм при скорости сварки 10 м/мин.

Точность и управляемость: диаметр сфокусированного пятна может достигать 0,1 мм, а точность позиционирования составляет ±0,01 мм. В сочетании с коаксиальной системой технического зрения достигается коррекция отклонений в реальном времени с точностью ±0,1 мм.

Минимально низкая зона термического воздействия: потребление энергии лазером снижено на 70% по сравнению с традиционной дуговой сваркой. Лазерная сварка деформаций кузова автомобиля, используемая компанией Shanghai Volkswagen, контролируется с точностью до 0,1 мм.

Широкая адаптивность к материалам: позволяет сваривать более 30 видов металлов и их сплавов, включая углеродистую сталь, нержавеющую сталь, алюминий, медь и титан, и даже выполнять сварку разнородных материалов керамика-металл.

Высокая производительность: в новых электродвигателях BYD используется кольцевой лазер, обеспечивающий скорость сварки 300 мм/с, что в 5 раз быстрее, чем при традиционной аргонодуговой сварке.

Бесконтактная обработка: Отсутствие остаточных механических напряжений, особенно подходит для сварки эластичных тонкостенных гофрированных листов толщиной 0,05 мм.

Чистый и экологически безопасный процесс: Не требуется вакуумная среда, отсутствует рентгеновское излучение. Лазерный сварочный цех CATL с мощными батареями обеспечивает нулевой уровень выбросов загрязняющих веществ.

Для глубокой сварки требуется поддерживать плотность мощности 10⁵-10⁷ Вт/см². Для полного проплавления стальной пластины толщиной 2 мм CO₂-лазеру (длина волны 10,6 мкм) требуется выходная мощность 25 кВт.

С помощью сети моделирования L-C импульс расширяется до 3-30 мс для решения проблемы поглощения энергии в сильно отражающих материалах (таких как алюминий и медь).

Отрицательная расфокусировка (-1 мм) может увеличить глубину проплавления алюминиевого сплава 6061 на 40%, в то время как положительная расфокусировка (+0,5 мм) больше подходит для сварки тонких пластин толщиной 0,5 мм.

Tesla Model 3. Скорость лазерной сварки кузова автомобиля достигает 6 м/мин, для чего требуется волоконный лазер мощностью 8 кВт и высокоскоростная гальванометрическая система.

Гелий (расход 15 л/мин) используется для подавления плазмы при сварке высокомощными электродами, а 5% NO₂ добавляется для предотвращения пористости при сварке алюминиевых сплавов.

Гауссов луч с коэффициентом M² < 1,1 позволяет достичь диаметра фокусировки 0,2 мм. Эта технология была использована при сварке обшивки Boeing 787, увеличив прочность соединения на 30%.

Сварка кузова: Платформа MQB компании Volkswagen использует технологию лазерной сварки для соединения стальных пластин различной толщины (0,8-2,5 мм) в единую заготовку, что снижает вес на 12%.
Сварка силовых батарей: Аккумуляторный блок CTP3.0 от CATL использует лазерную сварку вместо традиционных болтовых соединений, снижая контактное сопротивление на 80% и достигая плотности энергии, превышающей 250 Вт·ч/кг.
Облегченная конструкция: Подрамник из алюминиевого сплава NIO ET7 использует лазерно-MIG сварку композитных материалов, обеспечивая полное проплавление пластины толщиной 8 мм со скоростью 1,2 м/мин.

Панели фюзеляжа Airbus A350 используют цельную конструкцию, сваренную лазером, что снижает вес на 15% по сравнению с клепкой и уменьшает производственные затраты на 20%.

В камере сгорания двигателя C919 используется лазерная сварка высокотемпературных сплавов на основе никеля, обеспечивающая прочность соединения ≥450 МПа при 1350℃.
В системах спутниковой двигательной установки используются баки из титанового сплава, сваренные лазером, что позволяет контролировать скорость утечки до 10⁻¹². Ниже Па·м³/с

Фотоэлектрическая печать серебряной пастой: компания Tongwei Co., Ltd. использует технологию пикосекундной лазерной сварки для уменьшения ширины линии серебряной пасты с 30 мкм до 15 мкм, повышая эффективность преобразования энергии батареи на 0,3%.
Резервуары для хранения водородной энергии: компания Guofu Hydrogen Energy использует лазерную сварку внутренних резервуаров из нержавеющей стали 316L, прошедших циклические испытания при температуре от -40℃ до 85℃ под давлением 70 МПа.

Оборудование атомной энергетики: Китайская национальная ядерная корпорация (CNNC) использовала технологию лазерной сварки для ремонта теплообменных труб парогенератора на атомной электростанции Циньшань, достигнув стандарта коррозионной стойкости сварных швов Z2CND18.12N.

Технология лазерной сварки меняет современное производство, демонстрируя ежегодный рост рынка на 15%. Благодаря снижению стоимости лазеров киловаттного уровня и прорывам в области интеллектуальных технологий управления, эта технология «светового соединения», несомненно, будет играть еще более важную роль в эпоху Индустрии 4.0.