Лазерная сварка или точечная контактная сварка и пайка: чем отличаются и что выбрать для листа

Три процесса: что греет и что плавится

Все три способа соединяют листовой металл, но физика у них разная, и от неё зависят доступ, швы и брак.

Для листа есть и четвёртый способ, дуговой полуавтомат MIG/MAG. Чем он отличается от лазера, написано в статье Ручная лазерная сварка или TIG и MIG. Полуавтомат терпит зазор и грубую заготовку, но даёт широкий шов с брызгами и сильнее греет тонкий лист.

Точечная контактная сварка: где она сильна

Два медных электрода зажимают нахлёст, через них идёт ток, и в месте контакта листов выделяется тепло по закону Джоуля: чем больше ток и время, тем больше энергия. Короткого импульса хватает, а справочные сведения такие: листы обычно 0,5–3 мм, на одну точку уходит порядка 10–100 мс, мощность аппаратов от 5 до 500 кВА, а время сварки по справочнику колеблется от 0,01 до 0,63 с в зависимости от толщины, усилия и диаметра электродов. Из-за такой скорости остальная часть листа почти не греется.

Для примера возьмём исследование точечной сварки листов высокопрочной стали QP980 толщиной 2 мм: электроды с диаметром рабочей торцовой поверхности 8 мм, усилие на электроде 5 кН, четыре импульса по 9 периодов сети с паузами по 2 периода, ток в опытах от 5 до 11,5 кА. Критический ток, при котором разрушение переходило в вырыв ядра, составил 9,5 кА для голой стали и 9,0 кА для оцинкованной (Factors affecting weld quality in resistance spot welding of advanced high strength steels). Это конкретная сталь и конкретный режим, но порядок величин показывает: ток в килоамперах, усилие в килоньютонах, а оцинковка меняет режим.

Преимущества. Нет присадки и защитного газа, электрод сам прижимает лист, оборудование для серийных кузовных и корпусных деталей отработано, а на листе 0,5–3 мм процесс идёт быстро и ровно. В производстве кузовов точечную сварку применяют почти повсеместно, и многие промышленные роботы на сборочных линиях делают именно точки.

Ограничения.

• Доступ с двух сторон: электродам нужно зажать нахлёст. Вылет клещей ограничивает размер изделия, по справочным данным от 13 до 130 см.
• Точка не герметична. Между точками остаётся щель, которую на кузове закрывают герметиком.
• Оцинковка меняет сопротивление в контакте: оцинкованным листам, как показано в исследовании на стали QP980, нужен больший ток для образования ядра, и цинк при испарении между листами может выбросить расплав.
• Электроды изнашиваются и их зачищают или заменяют, а режим плывёт вместе с износом.
• Тонкий лист и крупные детали: чем толще заготовка, тем сложнее прогреть ядро, потому что тепло уходит в окружающий металл.

Лазерная сварка: шов вместо точки

Лазер варит с одной стороны, поэтому подходит для закрытых профилей, коробов и деталей, к которым электроды не подвести. Шов сплошной и герметичный, нахлёст может быть уже, чем под электрод. Чем отличается лазер от дуги по энергии шва, показано в статье о лазерной и аргоновой сварке тонкой нержавейки.

Бывает и точечная лазерная сварка: луч в коротком импульсе делает отдельное пятно, как электроды, но с одной стороны и без усилия. В работе по ручной микро-лазерной сварке тонкой нержавейки для кухонного и гостиничного оборудования выяснили, что результат зависит от угла между пистолетом и листом: вне нужного диапазона на видимой стороне остаются следы нагрева и микродеформации, проплавленная площадь мала, и прочность падает (A Smart Handheld Welding Torch Device for Manual Spot Laser Welding). Авторы определили рабочий диапазон углов и собрали пистолет, который подсказывает оператору наклон.

С оцинковкой лазер встречается с той же проблемой, что и контактная сварка. Цинк кипит при 907 °C, а сталь, например кузовная DC01, плавится при 1455 °C. На нахлёсте пар цинка между листами ищет выход через ванну, и получаются поры и брызги. Подробнее про это есть в статье о сварке алюминия, нержавейки, меди и оцинковки. Проволока и точный зазор между листами решают часть проблемы, а полностью её снимает пайка.

Лазерная пайка: когда основной металл не плавится

Пайка отличается тем, что греется припой, который затекает в зазор, а основной металл остаётся твёрдым. Практическая граница между мягкой пайкой и твёрдой, то есть высокотемпературной пайкой, проходит около 450 °C; американское определение AWS называет пайкой использование припоев с температурой плавления выше 450 °C. Ниже этой границы паяют электронику и трубы мягкими припоями, выше — соединяют конструкции.

В автомобильной промышленности лазерная пайка стала серийной. Первый диодный лазер для пайки установили в 2001 году на заднюю дверь Audi A3, позже диодными лазерами начали паять и швы между крышей и боковиной (Diode Lasers in Car-Body Construction). В работе по контролю таких швов шов на крыше соединял два листа разной стали толщиной 0,7 мм, припоем служил кремниевый бронзовый сплав. Преимущества перечислены во введении к работе так: меньше тепловая деформация, чем при сварке плавлением, гладкая поверхность без дополнительной герметизации, проще крепёж и выше производительность (Multisensor Inspection of Laser-Brazed Joints in the Automotive Industry).

Режим из расчётной работы по пайке оцинкованной стали с присадкой CuSi3 даёт представление о масштабе: мощность лазера 1600 Вт, скорость пайки 0,96 м/мин, скорость подачи проволоки 1,19 м/мин, расфокусировка 30 мм (Numerical Simulation and Parameters Optimization of Laser Brazing of Galvanized Steel). Цифры показывают, что проволоки подают больше, чем скорость шва, и что пятно сильно расфокусировано: лучу нужно греть, а не проплавлять.

У пайки свои дефекты: поры и скопления пор, непропай и одностороннее смачивание, чешуйчатый или волнистый шов, нерасплавленный припой (Multisensor Inspection of Laser-Brazed Joints in the Automotive Industry). Их ловят контролем в серии, потому что на глаз виден только шов снаружи.

Расчёт на метре фланца

Возьмём стальной корпус из листа 1,0 мм с нахлёстом по фланцу. Цифры условные: подставьте свои.

1. Точки. Шаг точек 30 мм (условно). На метре фланца получается 1000 ÷ 30 ≈ 33 точки.
2. Время точечной. С учётом позиционирования клещей берём в среднем 1–2 с на точку: 33–66 секунд на метр.
3. Время лазерного шва. Ручной аппарат ведут со скоростью 20–50 мм/с на листе 1–3 мм (по документации производителя из статьи о режимах ручной лазерной сварки). Метр шва займёт 20–50 секунд.
4. Вывод. По времени способы близки. Лазер выигрывает не скоростью, а тем, что соединение сплошное: герметичный фланец без отдельной промазки герметиком, доступ с одной стороны и никакого износа электродов.
5. Где точечная выигрывает. Если фланец широкий, изделие открыто с двух сторон, герметичность не нужна, а серия большая и идёт на готовой линии с клещами, точечная дешевле: ток и время у неё стабильны, присадки и газа нет.

Для оценки экономики в своём цехе есть калькулятор себестоимости изделия и калькулятор нормо-часа станка.

Что выбрать