Обзор

Микросварка: Выбирая между YAG:Nd и волоконным лазером


Четыре типа лазера могут использоваться для микросварки: импульсный алюмоиттриевый гранат, активированный неодимом (YAG:Nd), непрерывный (CW), квазинепрерывный импульсный волоконный лазер (QCW) и наносекундный волоконный лазер. Каждый из этих лазеров обладает своими особенностями и, в зависимости от специфики задачи, может оказаться наилучшим решением. В статье сравнивается лазер на YAG:Nd с доступными на сегодня волоконными лазерами, а также обсуждается, когда и при каких условиях стоит сделать выбор в пользу одного из них. В некоторых случаях для решения задачи могут быть равно применены несколько решений, тогда решающим фактором могут стать стоимость владения или ремонтнопригодность.

YAG:Nd –пиковая мощность и длительность импульса, идеальные для микросварки

В импульсных твердотельных лазерах на YAG:Nd активной средой является алюмоиттриевый гранат, активированный неодимом. Диаметр активного элемента обычно лежит в диапазоне 3 – 8 мм при длине около 100 мм. Накачка в YAG:Nd для микросварки, как правило, оптическая, при помощи ламп-вспышек. Эти лазеры излучают на длине волны 1064 нм, но при необходимости, частота может быть удвоена (532 нм, зеленый). Оптическая схема таких лазеров достаточно проста – в сердце лежит источник питания который управляет напряжением на лампе, позволяя с высокой точностью управлять длительностью импульса и пиковой мощностью.

Обладая широкими возможностями по управлению импульсом, YAG:Nd лазеры обеспечивают высокую пиковую мощность, позволяя осуществлять сварку большим пятном. Это приводит к упрощению подгонки деталей и процесса наладки. При средней мощности в 25Вт такой лазер способен обеспечить 6 кВт пиковой мощности, достаточной, чтобы сваривать сталь и алюминий пятном с диаметром 0,6 мм.

Импульсные YAG:Nd лазеры существуют уже несколько десятилетий и далеко ушли вперед по объемам интеграций. С позиций сегодняшнего дня они прекрасно подходят для точечной сварки тонких материалов толщинами до 1 мм и шовной сварки устройств чувствительных к нагреву.


Волоконные лазеры – отличные возможности по фокусировке излучения с высоким качеством.

Излучение волоконного лазера обычно формируется в активированном волокне, длина которого обычно составляет 3 – 10 м при диаметре в 10 – 50 мкм. В качестве активатора использован иттербий, обладающий высокой эффективностью преобразования и близкой к YAG:Nd лазерам длиной волны, которая прекрасно подходит под существующие оптические компоненты. Весь процесс формирования лазерного излучения происходит внутри волокна, что снимает необходимость в юстировке резонатора и установке оптики, характерных для импульсных лазеров на YAG:Nd. Высокоэффективный процесс генерации в таких лазерах позволяет использовать воздушное охлаждение и минимизировать габариты системы, упрощая ее дальнейшую интеграцию.


Схема одномодового и многомодового излучения

Уникальными характеристиками волоконного лазера является «фокусируемость» и качество излучения, которые могут быть применены для сварки. Качество излучения волоконных лазеров определяет режим их работы одномодовый (М2<1,2) или многомодовый (М2=2). Модовый состав определяет, насколько хорошо может быть сфокусировано излучение, а так же распределение энергии в пучке.

На рисунке ниже приведены примеры сварки при помощи одномодового и многомодового излучения нержавеющей стали толщиной 1,5 мм.


Влияние качества излучения на сварку
а) Одномодовое излучение 500 Вт, скорость сварки 7,6 м/мин., диаметр пятна 30 мкм, М2=1,2
b) Многомодовое излучение 700 Вт, скорость сварки 2,5 м/мин., диаметр пятна 150 мкм, М2=15
c) Многомодовое излучение 1000 Вт, скорость сварки 2 м/мин., диаметр пятна 250 мкм, М2=15

Непрерывный волоконный лазер (CW)

Для высокоскоростной сварки используют лазер, работающий в непрерывном режиме, что подразумевает непрерывную подачу излучения от момента включения до выключения. Для точечной сварки, равно как и для шовной, излучение может быть приведено в импульсный режим работы, выражаясь более корректно – модулированно, путем постоянного включения и выключения лазера. Таким образом, пиковая мощность непрерывного лазера совпадает с его номинальной, поэтому при сварке лазером мощностью до 1 кВт диаметр пятна обычно не превышает 100 мкм. В связи с чем их предпочтительно применять для сварки внахлест. Однако эти лазеры позволяют выполнять и стыковые соединения при условии хорошей подгонки свариваемых деталей или использовании сканирующей головки, которая позволяет расширить зону сварки за счет высокоскоростного перемещения луча, так называемого эффекта раскрутки (wobble) , и снизить требования к зазору.

Непрерывное лазерное излучение прекрасно подходит для шовной сварки глубиной до 1,5 мм (для источника мощностью 500 Вт), высокоскоростной шовной сварки однородных и разнородных материалов и точечной сварки с диаметром сварного пятна до 100 мкм.


Квазинепрерывные волоконные лазеры (QCW)

Пиковые мощности и длительности импульсов QCW лазеров схожи с получаемыми у работающих на YAG:Nd, но с меньшим диапазоном. Наряду с CW лазерами, QCW, в зависимости от применения, предлагают варианты с одномодовым и многомодовым излучением и возможностью получения пятна от 5 мкм до 1 мм. Эти лазеры прекрасно подходят для решения большинства задач по микросварке и способны обеспечивать как малые диаметры пятна, так и глубокие проплавы.


Наносекундные волоконные лазеры


Примеры сварки наносекундным волоконным лазером

Наносекундные лазеры не так давно стали применяться в качестве сварочных. По сути, это те же источники, что широко применяются для лазерной маркировки. Они являются экономичным решением, которое в некоторых случаях может быть переориентировано для задач сварки. Наносекундные лазеры обеспечивают многокиловатные импульсы, но их длительность находится в пределах 60 – 250 нс, частота повторения которых составляет 20 – 500 кГц. Эта пиковая мощность позволяет работать почти с любыми металлами, включая сталь, медь и алюминий. Очень малая длительность импульса позволяет с высокой точностью контролировать процесс сварки микродеталей.


Подводя итоги

Среди типов лазеров, предлагаемых для микросварки, стоит учитывать особенности их работы, а также требования конкретной задачи, так:

  1. импульсные твердотельные лазеры на YAG:Nd – это общепринятое решение для всех типов микросварки;
  2. непрерывные волоконные лазеры обеспечивают прекрасные скоростные характеристики и глубину проплава, позволяя сваривать проводящие и разнородные материалы;
  3. квазинепрерывные волоконные лазеры предлагают схожие с YAG:Nd характеристики, дополненные небольшим диаметром пятна и большими возможностями по глубине проплава;
  4. наносекундные лазеры позволяют с высокой точностью контролировать процесс сварки тонких материалов.

Излучение непрерывных лазеров включается и выключается в зависимости от потребности, однако может быть промодулировано для получения импульсного режима работы. Лазеры на YAG:Nd и волоконные QCW обычно предлагают пиковые мощности 0,2 – 4 кВт при длительностях импульса 0,1 – 10 мс. Наносекундные лазеры работают с мощностями импульсов порядка 10 кВт и длительностью 60 – 200 нс.


Пиковая мощность и длительность импульса

Наибольший интерес представляет сравнение YAG:Nd лазеров и QCW, которые предлагают схожие возможности по сварке – высокая пиковая мощность и возможность точечной и шовной сварки пятном большого диаметра (>200мкм). Импульсные лазеры на YAG:Nd распространены повсеместно и хорошо знакомы большинству пользователей, в то время как недавно появившиеся квазинепрерывные волоконные лазеры прельщают низкой стоимостью владения. С точки зрения возможностей по сварке они они практически идентичны и камнем преткновения становятся стоимость приобретения, владения, а так же возможность обслуживания. QCW лазеры не используют лампы, что снижает эксплуатационные расходы. При этом ламповые лазеры значительно дешевле и, в отличие от волоконных, могут полностью обслуживаться в «полевых» условиях. Решение в выборе одного из них остается за потребителем, предпочитающим высокую стоимость и низкие эксплуатационные расходы или отдающего предпочтение бюджетной системе, которую возможно обслуживать на месте 24/7.

Сводная таблица по лазерам для микросварки
Тип лазера Типовые мощности Глубина проплава Типовой диаметр пятна Все виды микросварки Дополнение
YAG:Nd 5 Вт (2,5кВт в импульсе)
25 Вт (6 кВт в импульсе)
150 Вт (7 кВт в импульсе)
1 мм 300 мкм Сварка с глубоким проплавом и с высокой скоростью, проводящие материалы, разнородные материалы Воз­мож­ность пол­ного обслу­жи­ва­ния на месте уста­новки
Необ­хо­ди­мость замены ламп
Невы­со­кая сто­и­мость
CW от 200 Вт до 1 кВт 2,5 мм 70 мкм Сварка с глу­бо­ким про­пла­вом и с высо­кой ско­ро­стью, про­во­дя­щие мате­ри­алы, раз­но­род­ные мате­ри­алы Не обслу­жи­ва­ется на месте уста­новки
Не тре­бует рас­ход­ных мате­ри­а­лов
QCW 150 Вт (1,5 кВт в импульсе)
300 Вт (3 кВт в импульсе)
600 Вт (6 кВт в импульсе)
1,5 мм 300 мкм Мик­ро­сварка боль­шин­ства мате­ри­а­лов, сварка малень­ким пят­ном Не обслу­жи­ва­ется на месте уста­новки
Не тре­бует рас­ход­ных мате­ри­а­лов
NS 50-100 Вт (10 кВт в импульсе) 0,35 мм 50 мкм Мате­ри­алы тол­щи­нами <200 мкм, сварка малень­ким пят­ном, сварка раз­но­род­ных мате­ри­а­лов Не обслу­жи­ва­ется на месте уста­новки
Не тре­бует рас­ход­ных мате­ри­а­лов
Невы­со­кая сто­и­мость


Подготовлено по материалам:
GEOFF SHANNON – Choosing between Nd:YAG or fiber lasers for micro welding [ILS]