Мікрозварювання вибираючи між yag nd і волоконних лазером - ОКБ булат

Чотири типу лазера можуть використовуватися для микросварки: імпульсний алюмоітрієвому гранат, активоване неодимом (YAG: Nd), безперервний (CW), квазінепереривних імпульсний волоконний лазер (QCW) і наносекундний волоконний лазер. Кожен з цих лазерів має свої особливості і, в залежності від специфіки завдання, може виявитися найкращим рішенням. У статті порівнюється лазер на YAG: Nd з доступними на сьогодні волоконними лазерами, а також обговорюється, коли і за яких умов варто зробити вибір на користь одного з них. У деяких випадках для вирішення завдання можуть бути одно застосовані кілька рішень, тоді вирішальним фактором можуть стати вартість володіння або ремонтнопригодность.

YAG: Nd -піковая потужність і тривалість імпульсу, ідеальні для микросварки

В імпульсних твердотільних лазерах на YAG: Nd активним середовищем є алюмоітрієвому гранат, активоване неодимом. Діаметр активного елементу зазвичай лежить в діапазоні 3 - 8 мм при довжині близько 100 мм. Накачування в YAG: Nd для микросварки, як правило, оптична, за допомогою ламп-спалахів. Ці лазери випромінюють на довжині хвилі 1064 нм, але при необхідності, частота може бути подвоєна (532 нм, зелений). Оптична схема таких лазерів досить проста - в серці лежить джерело живлення який керує напругою на лампі, дозволяючи з високою точністю управляти тривалістю імпульсу і пікової потужністю.

Володіючи широкими можливостями по управлінню імпульсом, YAG: Nd лазери забезпечують високу пікову потужність, дозволяючи здійснювати зварювання великою плямою. Це призводить до спрощення підгонки деталей і процесу налагодження. При середній потужності в 25Вт такий лазер здатний забезпечити 6 кВт пікової потужності, достатньої, щоб зварювати сталь і алюміній плямою з діаметром 0,6 мм.

Імпульсні YAG: Nd лазери існують вже кілька десятиліть і далеко пішли вперед за обсягами інтеграцій. З позицій сьогоднішнього дня вони прекрасно підходять для точкового зварювання тонких матеріалів товщиною до 1 мм і шовного зварювання пристроїв чутливих до нагрівання.

Волоконні лазери - відмінні можливості по фокусуванні випромінювання з високою якістю.

Випромінювання волоконного лазера зазвичай формується в активованому волокні, довжина якого зазвичай становить 3 - 10 м при діаметрі в 10 - 50 мкм. В якості активатора використаний иттербий, що володіє високою ефективністю перетворення і близькою до YAG: Nd лазерів довжиною хвилі, яка прекрасно підходить під існуючі оптичні компоненти. Весь процес формування лазерного випромінювання відбувається всередині волокна, що знімає необхідність у юстирування резонатора і установці оптики, характерних для імпульсних лазерів на YAG: Nd. Високоефективний процес генерації в таких лазерах дозволяє використовувати повітряне охолодження і мінімізувати габарити системи, спрощуючи її подальшу інтеграцію.

Схема одномодового і багатомодового випромінювання

Унікальними характеристиками волоконного лазера є «фокусируемое» і якість випромінювання, які можуть бути застосовані для зварювання. Якість випромінювання волоконних лазерів визначає режим їх роботи одномодовий (М 2 2 = 2). Модовий склад визначає, наскільки добре може бути сфокусовано випромінювання, а так же розподіл енергії в пучку.

На малюнку нижче наведені приклади зварювання за допомогою одномодового і багатомодового випромінювання нержавіючої сталі товщиною 1,5 мм.

Вплив якості випромінювання на зварювання
а) Одномодовое випромінювання 500 Вт, швидкість зварювання 7,6 м / хв. діаметр плями 30 мкм, М 2 = 1,2
b) Многомодовое випромінювання 700 Вт, швидкість зварювання 2,5 м / хв. діаметр плями 150 мкм, М 2 = 15
c) Многомодовое випромінювання 1000 Вт, швидкість зварювання 2 м / хв. діаметр плями 250 мкм, М 2 = 15

Безперервний волоконний лазер (CW)

Для високошвидкісної зварювання використовують лазер, що працює в безперервному режимі, що має на увазі безперервну подачу випромінювання від моменту включення до виключення. Для точкового зварювання, так само як і для шовного, випромінювання може бути приведено в імпульсний режим роботи, висловлюючись коректніше - модулювати, шляхом постійного включення і виключення лазера. Таким чином, пікова потужність безперервного лазера збігається з його номінальної, тому при зварюванні лазером потужністю до 1 кВт діаметр плями зазвичай не перевищує 100 мкм. У зв'язку з чим їх переважно застосовувати для зварювання внахлест. Однак ці лазери дозволяють виконувати і стикові з'єднання за умови гарної підгонки деталей, що зварюються або використанні скануючої головки, яка дозволяє розширити зону зварювання за рахунок високошвидкісного переміщення променя, так званого ефекту розкрутки (wobble). і знизити вимоги до зазору.

Безперервне лазерне випромінювання прекрасно підходить для шовного зварювання глибиною до 1,5 мм (для джерела потужністю 500 Вт), високошвидкісний шовного зварювання однорідних і різнорідних матеріалів і точкового зварювання з діаметром зварного плями до 100 мкм.

Квазінепереривних волоконні лазери (QCW)

Пікові потужності і тривалості імпульсів QCW лазерів схожі з одержуваними у працюючих на YAG: Nd, але з меншим діапазоном. Поряд з CW лазерами, QCW, в залежності від застосування, пропонують варіанти з одномодовим і багатомодовим випромінюванням і можливістю отримання плями від 5 мкм до 1 мм. Ці лазери прекрасно підходять для вирішення більшості завдань по мікрозварювання і здатні забезпечувати як малі діаметри плями, так і глибокі проплавити.

Наносекундні волоконні лазери

Приклади зварювання наносекундной волоконних лазером

Наносекундні лазери не так давно стали застосовуватися в якості зварювальних. По суті, це ті ж джерела, що широко застосовуються для лазерного маркування. Вони є економічним рішенням, яке в деяких випадках може бути переорієнтовано для задач зварювання. Наносекундні лазери забезпечують многокіловатние імпульси, але їх тривалість знаходиться в межах 60 - 250 нс, частота повторення яких складає 20 - 500 кГц. Ця пікова потужність дозволяє працювати майже з будь-якими металами, включаючи сталь, мідь і алюміній. Дуже мала тривалість імпульсу дозволяє з високою точністю контролювати процес зварювання мікродеталей.

Серед типів лазерів, пропонованих для микросварки, варто враховувати особливості їх роботи, а також вимоги конкретного завдання, так:

1. імпульсні твердотільні лазери на YAG: Nd - це загальноприйняте рішення для всіх типів микросварки;
2. безперервні волоконні лазери забезпечують прекрасні швидкісні характеристики і глибину проплавити, дозволяючи зварювати проводять і різнорідні матеріали;
3. квазінепереривних волоконні лазери пропонують схожі з YAG: Nd характеристики, доповнені невеликим діаметром плями і великими можливостями по глибині проплавити;
4. наносекундні лазери дозволяють з високою точністю контролювати процес зварювання тонких матеріалів.

Випромінювання безперервних лазерів вмикається і вимикається в залежності від потреби, однак може бути промодулірованной для отримання імпульсного режиму роботи. Лазери на YAG: Nd і волоконні QCW зазвичай пропонують пікові потужності 0,2 - 4 кВт при тривалості імпульсу 0,1 - 10 мс. Наносекундні лазери працюють з потужностями імпульсів близько 10 кВт і тривалістю 60 - 200 нс.

Пікова потужність і тривалість імпульсу

Найбільший інтерес представляє порівняння YAG: Nd лазерів і QCW, які пропонують схожі можливості по зварці - висока пікова потужність і можливість точкового і шовного зварювання плямою великого діаметра (> 200мкм). Імпульсні лазери на YAG: Nd поширені повсюдно і добре знайомі більшості користувачів, в той час як недавно з'явилися квазінепереривних волоконні лазери спокушають низькою вартістю володіння. З точки зору можливостей зі зварювання вони вони практично ідентичні і каменем спотикання стають вартість придбання, володіння, а так само можливість обслуговування. QCW лазери не використовують лампи, що знижує експлуатаційні витрати. При цьому лампові лазери значно дешевше і, на відміну від волоконних, можуть повністю обслуговуватися в «польових» умовах. Рішення у виборі одного з них залишається за споживачем, які віддають перевагу високу вартість і низькі експлуатаційні витрати або віддає перевагу бюджетну систему, яку можливо обслуговувати на місці 24/7.

Зведена таблиця з лазерів для микросварки