Лазерная сварка: режимы, ручные аппараты и роботы, требования к сборке и безопасность

Как работает лазерная сварка

Луч фокусируют в пятно доли миллиметра — AMADA WELD TECH приводит типичный диаметр 100–600 мкм. От плотности мощности в пятне зависит, как металл плавится.

Теплопроводностный режим. Плотности мощности хватает, чтобы расплавить металл, но не чтобы его испарить. Тепло идёт вглубь только теплопроводностью, поэтому глубина ограничена: TRUMPF указывает от нескольких десятых миллиметра до 1 мм. Шов получается гладким и выпуклым, без зачистки — так варят корпуса приборов, угловые швы на лицевых поверхностях, тонкостенные детали.

Кинжальный режим. При плотности мощности порядка 1 МВт/см² (по TRUMPF) металл испаряется, давление пара раздвигает расплав, и в металле образуется узкий паровой канал — keyhole. Луч многократно отражается от стенок канала и поглощается почти полностью. Канал движется вместе с лучом, расплав обтекает его и застывает позади. Глубина шва, по TRUMPF, может в десять раз превышать ширину и достигать 25 мм.

Между ними есть переходный режим: AMADA WELD TECH описывает его при плотности около 1 МВт/см² — канал возникает, но не уходит глубоко, отношение глубины к ширине около 1.

Почему лазер даёт малые деформации

Энергия подводится в узкую зону и с высокой скоростью. TRUMPF прямо связывает это: из-за высокой скорости сварки зона термического влияния мала, а деформации минимальны. Для сравнения, при дуговой сварке тепло распределено по широкой ванне, и детали ведёт сильнее — как с этим бороться, разобрано в статье «Сварочные деформации».

Для нержавеющей стали, чувствительной к перегреву, это особенно важно; её особенности, включая побежалость, разобраны в статье «Сварка нержавеющей стали».

Ручные аппараты и роботизированные установки

Ручные аппараты — волоконный лазер в корпусе и «пистолет» на гибком кабеле. Сварщик ведёт его как горелку TIG, присадочная проволока подаётся автоматически. Для примера — паспорт IPG LightWELD:

Там же указаны мощность сварки до 2000 Вт, колебания луча (wobble) шириной до 0,2″, то есть около 5 мм, и проволока диаметром от 0,030″ до 0,063″ (около 0,8–1,6 мм). Производитель заявляет скорость до четырёх раз выше, чем у TIG. Это данные IPG для своих аппаратов; у других производителей цифры другие, сверяйте по паспорту.

Роботизированные установки — лазерная головка на роботе или портале, часто со сканером, отслеживанием шва и контролем процесса. Робот держит фокусное расстояние и скорость стабильнее руки. AMADA WELD TECH приводит допуск рабочего расстояния: около ±0,75 мм для сварки на проплавление и до ±0,2 мм для микросварки. Роботизированная установка оправдана на серии и там, где нужен кинжальный режим на полную глубину; ручной аппарат — на мелкосерийной сварке листовых изделий, где раньше варили TIG.

Требования к сборке и подготовке

Лазерная сварка часто идёт без присадки: металла ванны хватает ровно на то, что было в стыке. Если кромки разошлись, заполнять зазор нечем — будет недолив или подрез. AMADA WELD TECH называет плотную сборку главным требованием и даёт практическое правило.

Пример 1. Стыковой шов листов нержавеющей стали 2 мм на полное проплавление: s = 2 мм, h = 2 мм, g ≤ 0,1 · 2 = 0,2 мм.

Пример 2. Нахлёстка: лист 1 мм на лист 3 мм, проплавление через верхний лист на 1,5 мм. min(1; 1,5) = 1 мм, g ≤ 0,1 мм — зазор между листами не больше 0,1 мм, листы придётся прижимать.

Производитель оговаривает, что это ориентир, а допуск зависит от задачи и должен быть проверен сваркой реальных деталей. Для стыковых и угловых швов важна ещё точность положения стыка относительно луча: пятно не должно промахнуться мимо стыка. Расширить допуск помогают колебания луча — сканер водит пятно поперёк шва с амплитудой под зазор — и присадочная проволока, как у ручных аппаратов.

Поверхность перед сваркой очищают от масла, краски, окалины. Хорошая подготовка кромок для лазера — это рез с ровной кромкой без грата, например лазерный. Как организовать сборку и прихватки — в статье «Прихватки и сборка под сварку».

Материалы и защитный газ

AMADA WELD TECH даёт такие оценки свариваемости лазером:

• углеродистая сталь — хорошие швы; содержание углерода — не более 0,12 % для импульсной сварки и до 0,2 % для непрерывной;
• нержавеющая сталь — 304 и 304L дают отличные швы; 316 и 316L — хорошие при отношении Cr/Ni больше 1,7;
• алюминий — сплавы 1050, 3003 и 6061 с присадкой 4047 варятся хорошо; непрерывный режим улучшает свариваемость сплавов 5052 и 5082; алюминиевые сплавы рекомендуется тщательно проверять на склонность к трещинам;
• титан, никелевые сплавы — хорошие швы, но нужна защита газом.

Защитный газ нужен против окисления расплава. По AMADA WELD TECH, чаще всего применяют аргон и азот, для ответственных швов с глубоким проплавлением — иногда гелий; для титана и Inconel защита обязательна. Конкретный газ и расход задают технологией сварки под марку металла и рекомендации производителя оборудования.

Качество швов: ISO 13919-1

Уровни качества для дуговой сварки задаёт ГОСТ ISO 5817, но лучевые способы он исключает. Для лазерной и электронно-лучевой сварки стали, никеля, титана и их сплавов с 1 января 2026 года действует ГОСТ ISO 13919-1-2025 — он идентичен ISO 13919-1:2019 и заменил ГОСТ ISO 13919-1-2017 (действовал с 1 марта 2019 года, был идентичен ISO 13919-1:1996). Стандарт устанавливает три уровня качества по допустимым размерам дефектов: D — невысокий, C — средний, B — высокий. Уровень выбирают по нагрузке, условиям эксплуатации, последствиям разрушения и стоимости изготовления и контроля.

Стандарт охватывает толщины от 0,5 мм. Прежняя редакция, ГОСТ ISO 13919-1-2017, для лазерной сварки толщин свыше 12 мм предупреждала, что требования могут оказаться завышенными и нужны специальные меры, например зачистка, чтобы выдержать допуски на выпуклость и подрезы.

В документации, выпущенной до 2026 года, может стоять ссылка на редакцию 2017 года — уточните, по какой редакции принимают швы. Что за дефекты бывают и какими методами их ищут — в статье «Дефекты сварных швов».

Безопасность лазерного излучения

Сварочные лазеры относятся к классу 4 — так, например, классифицирован IPG LightWELD. Требования к лазерной аппаратуре задаёт ГОСТ IEC 60825-1-2023 — он идентичен IEC 60825-1:2014 и действует в России с 1 сентября 2024 года взамен ГОСТ IEC 60825-1-2013. Класс 4, по пояснению стандарта, — изделия, у которых опасны наблюдение прямого пучка и воздействие на кожу, может быть опасен взгляд на рассеянное отражение, и которые часто несут риск возгорания.

Для ручного аппарата это означает многое. В руководстве IPG LightWELD XR номинальное опасное для глаз расстояние в непрерывном режиме — 143 м. Производитель требует очки для защиты от лазерного излучения, указанные в руководстве, сварочную маску со светофильтром и щитком, стойкую к лазеру и нагреву одежду, перчатки и фартук.

Сварочный аэрозоль и дым при лазерной сварке тоже есть: руководство IPG оставляет меры по их удалению пользователю в зависимости от материала. Местную вытяжку ставят так же, как на дуговом посту.