Furukawa Electric расширяет технологические возможности лазерной сварки сплавов и оцинкованных сталей

Оцинкованные стальные листы, стойкие к коррозии, широко используются в производстве автомобилей, электрических приборов и строительных материалов. Есть целый ряд оцинкованных стальных листов из нелегированной и легированной стали, в зависимости от применения.

При работе с этими материалами применяется точечная и дуговая, лазерная сварка. Стабильность процессов сварки, а также качество соединения толстолистовой стали с оцинкованными материалами существенно зависят от количества цинка и содержания других элементов в свариваемых сталях.

Точечная сварка широко используется для сварки оцинкованных стальных листов, особенно при изготовлении кузовов автомобилей. Существуют ограничения по количеству и расстоянию между сварными точками, поэтому соединение частей кузова и его жесткость требуют особого внимания. Лазерная сварка используется в качестве компенсации недостатков точечной сварки.

При лазерной сварке оцинкованной стали разница температур между температурой плавления стали (свыше 1500° C) и температурой кипения цинка является причиной образования дефектов. Для решения этой проблемы, зазор между оцинкованными стальными листами должен быть около 0,1-0,2 мм для обеспечения выхода паров цинка из сварочной ванны. Однако, точно контролировать зазор ~0,1 - 0,2 мм для стабилизации процесса сварки и обеспечения высокого качества сварных швов - достаточно сложно.

В этой статье представлена новая технология сварки различных оцинкованных стальных листов волоконным лазером.

Компания Furukawa Electric (Tokyo, Japan) разработала и продаёт мощные волоконные лазеры для промышленного использования уже более, чем 10 лет на основе полупроводниковых лазеров, оптических волокон и fusing технологии, применяемой в области оптических коммуникаций.

Типичные характеристики волоконного лазера с длиной волны ~ 1.06 мкм в одномодовом режиме, например, при мощности 1,5 - 4 кВт, BPP = 1.7 мм мрад и 3.0 мм мрад при мощности 6 кВт. Эти волоконные лазеры имеют хорошее качество пучка из-за уникальной структуры, стабильного качества (по длине и диаметру) используемых волокн.

Высокое качество пучка обеспечивает при сварке глубокое проплавление благодаря высокой плотности лазерного излучения в фокальной точке. В статье показана глубина проплавления различных материалов многомодовым волоконным лазером мощностью 6 кВт. При скорости сварки – 0,5 м/мин глубина проплавления стали и алюминиевого сплава достигает 12 мм, и 7,5 мм для чистой меди. При скорости сварки 10 м/мин, глубина проплавления достигает 7 мм для стали и алюминиевого сплава, и 4 мм для чистой меди.

Высокая (максимальная) плотность мощности обеспечивает более высокие скорости сварки и снижение энергопотребления, однако, она не всегда даёт положительные результаты из-за чрезмерного перегрева металла в зоне обработки, что приводит к образованию дефектов.

Furukawa Electric, в сотрудничестве с компанией Furukawa Denshi (Fukushima, Japan), разработала технологию управления лучом волоконных лазеров, позволяющую точно контролировать распределение плотности мощности в фокальном пятне – см.рис. Эта технология может легко интегрироваться в сварочную головку, включая сканер, из-за очень простой оптической конфигурации. Этот элемент управления позволяет использовать достаточный уровень мощности, необходимый для мультикиловаттных лазеров, так же, как и обычные линзы.

Furukawa Electric разработала технологию лазерной сварки LC3W с нулевым зазором оцинкованных стальных листов. Показан внешний вид бугристого сварного проплавного шва, когда стальные оцинкованные листы были сварены с фокальным пятном в виде точки, по традиционной технологии на мощности 3 кВт и скорости сварки 1,5 м/мин. В результате, имело место сильное разбрызгивание, вызванное металлическими парами цинка, что, в свою очередь, вызывало образование несплошностей/пустот в сварном шве.

Метод LC3W оказался эффективным при сварке нескольких видов оцинкованных стальных листов с применением сканирования луча гальваносканером. Он продемонстрировал, что может подавить дефекты сварных швов. Показан внешний вид сварного шва и его сечение. Сварка электрогальванизированных стальных листов (цинкование: адгезия 20 г/м2) толщиной 1 мм выполнялась на мощности 3 кВт и скорости сварки 1,5 м/мин.

Показан парогазовый канал при лазерной сварке по методу LC3W, снятый высокоскоростной камерой. Пары цинка выходят через большое отверстие - парогазовый канал, образованный за счёт сканирования лазерного луча. Плотность мощности излучения и параметры сканирования должны обеспечивать образование парогазового канала нужной конфигурации и размеров, чтобы обеспечивать свободный выход паров цинка и исключить образование дефектов типа пор и несплошностей, а также – дефектов формирования («бугристости»).

Оптимальные параметры образования парогазового канала и процесса сварки отличаются в зависимости от вида свариваемых материалов, способов и степени их цинкования, например: легированных стальных листов после горячего цинкования, электрооцинкованных стальных листов и нелегированной оцинкованной жести. Furukawa Electric изучает оптимальные условия сварки этих и других материалов. Например, нержавеющая сталь и чистая медь имеют совершенно разные характеристики для обработки. Нержавеющая сталь имеет высокий коэффициент поглощения лазерного излучения и её относительно легко обрабатывать волоконным лазером с длиной волны 1 мкм. Чистая медь является же очень сложным материалом для лазерной обработки, так как коэффициент поглощения лазерного излучения составляет менее 10% и материал обладает высокой теплопроводностью.

Для материалов с различными свойствами и характеристиками для обработки лучше иметь возможность свободно менять форму, расстояние и энергию пучка, сформированные в фокальной точке. Даже для одного и того же материала, если требуется разная глубина проплавления и скорость обработки, необходимо, соответственно, изменять форму луча.

Показана лазерная сварка нержавеющей стали с сильным разбрызгиванием, при использовании обычного фокального пятна в виде точки, и при отсутствии разбрызгивания на режиме контроля технологии, по методу LC3W. Авторами показан внешний вид полученных сварных швов по традиционной и LC3W технологии. При лазерной сварке чистой меди, компании Furukawa Electric, также удалось устранить разбрызгивание, используя метод LC3W.

Технология лазерной сварки компании Furukawa Electric, с использованием метода LC3W, с изменением распределения плотности мощности лазерного излучения в фокальном пятне за счёт сканирования лазерного луча – значительно расширяет технологические возможности при сварке различных материалов и повышает качество сварных соединений.

Furukawa Electric обеспечивает высокое качество и надежность промышленных волоконных лазеров и требуемые для сварки параметры лазерного пучка. Компания предлагает для клиентов разработанные технологии и периферийные устройства.

На рисунке показаны лучевые моды с фокусировкой в точку (а), в центральную точку и кольцо (b), в форму линии (c).

Авторы: TAKASHI KAYAHARA, RYOSUKE NISHII, TOMOMICHI YASUOKA, TAKASHI SHIGEMATSU - Furukawa Electric, Tokyo, Japan; www.furukawa.co.jp/en.

Источник: Fiber laser technology enables zero-gap galvanized steel sheet joining / TAKASHI KAYAHARA, RYOSUKE NISHII, TOMOMICHI YASUOKA, TAKASHI SHIGEMATSU // Industrial Laser Solutions, 2019, JANUARY / FEBRUARY, p.17-20; www.industrial-lasers.com