Максимальная толщина лазерной сварки: что варит источник от 1 до 10 кВт

От чего зависит толщина сварного шва

Волоконный лазер проваривает металл так: луч с плотностью мощности порядка 1 МВт/см² доводит металл до кипения и протыкает в нём узкий парогазовый канал. Его называют keyhole, замочная скважина. Ванна течёт вокруг канала и смыкается за ним, получается узкий глубокий шов. Глубина проплавления растёт вместе с подводимой мощностью, это общее место и в справочных статьях, например в описании лазерной сварки в Wikipedia.

Пятно на металле определяет, хватит ли мощности для самого канала. Возьмём пятно диаметром 0,4 мм, такое указано в опыте на стали Q690, и источник 10 кВт. Площадь пятна 1,26·10⁻³ см², значит плотность мощности около 8 МВт/см². Тот же источник, но 1 кВт, даёт 0,8 МВт/см², то есть едва выходит на порог. Поэтому ручные аппараты, у которых луч ещё и качается поперёк шва, нуждаются в запасе, а положение фокуса на толстом металле уводят вглубь листа: в опытах на титане и в обзоре по разнородной сварке чаще всего встречается −2 мм.

Из трёх величин, которые решают дело, мощность самая заметная, но скорость влияет не меньше. Чем медленнее идёт луч, тем больше энергии получает каждый миллиметр шва и тем глубже проплавление, пока ванна не начнёт провисать. Третья величина — металл: сколько энергии он поглощает и как быстро уносит тепло. Про это подробнее в статье о сварке алюминия, нержавейки и меди.

Ручные аппараты: 1, 1,5 и 2 кВт

Для ручных аппаратов есть открытая таблица производителя источников. IPG для ручной системы LightWELD с воздушным охлаждением указывает максимальную толщину в калибрах и дюймах. Ниже перевод в миллиметры, округлено.

Источник: страница LightWELD на сайте IPG Photonics, проверено 3 октября 2026 года. Цифры показывают потолок, а не рабочий режим. Как раз их стоит сверять с документацией того аппарата, который вы покупаете: у другого производителя в документации на ручной аппарат 1500 Вт для стали указано до 2,5 мм, а для 2 кВт до 4 мм. Расхождение почти вдвое, и одна из возможных причин в том, что производители по-разному определяют предел: как глубину на малой скорости или как толщину рабочего режима с запасом. Из документации это не видно, поэтому берите пробный шов.

Из таблицы видны два соотношения. Медь при 1500 Вт берёт 35 % от стальной толщины, при 2000 Вт около 41 %. Титан при 1500 Вт даёт 87 % от стали, при 2000 Вт 75 %. Алюминий серий 3 и 5 по заявлению IPG при 2 кВт догоняет сталь, а серия 6 заметно отстаёт. Статью про ручной аппарат или TIG и MIG стоит прочесть тем, кто решает, нужна ли им глубина вообще: на листе до 3 мм ручного лазера хватает с большим запасом.

Промышленные источники: 6 и 10 кВт

В исследованиях авторы обычно называют и мощность, и скорость, поэтому по ним видно, как они связаны.

Опыты на стали Q690 интересны ещё и тем, как узко окно режима. Сквозной провар 10 мм при 10 кВт получился только на 25 мм/с, и уже при 30 мм/с корень рвался, а при 20 мм/с начинал провисать. Выходит, запас по мощности нужен не для того, чтобы жать на максимум, а чтобы найти скорость, на которой корень сформируется ровно.

Как посчитать мощность под свою толщину

Опыты выше можно свести к одному числу. Мощность в ваттах делим на скорость в мм/с и получаем погонную энергию в Дж/мм. Делим её на проваренную толщину.

1. Нержавейка 8 мм: 6000 Вт / 25 мм/с = 240 Дж/мм, на каждый миллиметр глубины 240 / 8 = 30 Дж/мм.
2. Сталь Q690 10 мм: 10 000 / 25 = 400 Дж/мм, на миллиметр глубины 40 Дж/мм.
3. Титан 6 мм при 4080 Вт и 30 мм/с (1,8 м/мин): 136 Дж/мм, на миллиметр около 23 Дж/мм. У титана меньше, но это одна серия опытов с частичным проплавлением, сравнивать её со сталью можно только грубо.

Для стали и нержавейки получается вилка 30–40 Дж/мм погонной энергии на каждый миллиметр глубины. Две точки не закон, а ориентир, но им удобно пользоваться для первой прикидки.

Скорость 20 мм/с в расчёте взята как рабочая для промышленной сварки. Ручной шов обычно идёт медленнее. Какие параметры при этом настраивают, написано в статье о режимах ручной сварки.

Что ещё ограничивает толщину

• Корень шва. Достаточно мощности, чтобы проплавить металл, ещё не значит, что корень получится ровным. В опытах на Q690 при изменении скорости с 25 до 30 мм/с шов переходил от гладкого корня к горбам, а при снижении до 20 мм/с к провисанию.
• Зазор. Узкий луч не закрывает зазор, поэтому чем толще металл, тем жёстче допуск на сборку. Подробности и расчёт подачи проволоки в статье о проволоке, газе и зазоре.
• Металл. Для меди ориентир такой: по данным Laserax, медь поглощает на 1070 нм около 5 % излучения, поэтому потолок толщины у неё ниже в 2–3 раза, а для толстой меди берут зелёные и синие лазеры.
• Разброс по сплавам. Серия 6ххх у алюминия, по таблице IPG, хуже серий 3 и 5.

Когда автогенной сварки недостаточно

Автогенной называют сварку без проволоки, шов формируется из металла самих кромок. Авторы работы по титану Gr.2 пишут, что она эффективна на толщинах 5–20 мм, а для толще применяют многослойную сварку в узкую разделку. В той же работе на листе Gr.2 толщиной 7 мм сравнили оба способа. Автогенный шов при 4080 Вт получился шириной 3,2 мм, а в узкой разделке при 6 кВт понадобились три прохода с проволокой 1,2 мм, и ширина шва выросла до 12,5 мм.

Ещё один пример — Ti-6Al-4V толщиной 40 мм: 21 слой при 4,5 кВт и скорости 0,9 м/мин, прочность 920–990 МПа против 980 МПа у основного металла. Таким образом, потолок толщины можно поднять не мощностью, а числом проходов, но цена этого решения — время и сложная оснастка.