Как работает лазерный сварочный аппарат: что внутри и почему он варит без дуги

Ещё волоконная схема экономна: в луч уходит 30–50% затраченной из розетки энергии, тогда как у старых газовых лазеров — всего 10–20%. Поэтому лазер на 1,5 кВт теперь работает от 220 В. Но из сети такой аппарат вместе с охлаждением берёт куда больше — где-то 5–8 кВт. Обычная розетка на 16 А держит около 3,5 кВт, так что для сварки нужна отдельная линия, иначе вы перегрузите автомат или расплавите проводку.

И главное — лазерный луч идёт прямо внутри гибкого волокна. У старых промышленных лазеров он летел по воздуху через зеркала, и головку для сварки двигал только станок. Теперь луч прилетает к пистолету по кабелю длиной несколько метров, и его можно держать в руке. Кстати, похожий инфракрасный лазер стоит и в лидаре робота-пылесоса, только там он лишь меряет расстояние до мебели.

Как луч плавит металл

Всё решает фокусировка. Линза в пистолете собирает луч в точку диаметром около 0,3 мм — это тоньше грифеля обычного карандаша. Так что вся мощность приходится на эту крошечную площадь, и расплавление металла занимает доли секунды.

Если мощности немного, металл плавится только сверху, как масло на сковороде, и шов выходит широким и неглубоким — так варят тонкие листы. Если мощность большая, металл под лучом закипает. Пар продавливает в жидком металле узкий колодец, луч уходит по нему вглубь и прогревает стык сразу на всю глубину. Шов получается узким и глубоким.

Соседний металл при таком проплавлении остаётся почти холодным. Например, хромированные трубки лазер сваривает так, что покрытие рядом со швом почти не страдает, а простая дуга выжгла бы его на сантиметр вокруг.

Но не любой металл одинаково хорошо варится лазером. Всё зависит от того, как эффективно он поглощает свет. Сталь и титан варятся без проблем, а медь отражает около 95% такого луча, и варить её ручным лазером трудно. Поэтому для медных деталей (например, создания аккумуляторов электромобилей) заводы используют лазеры с зелёным и синим светом: его медь поглощает в разы лучше.

Как устроен ручной аппарат

Снаружи он похож на полуавтомат: тоже есть тумба, шланг и пистолет. Как работает ручной лазерный сварочный аппарат, проще понять по частям:

• Тумба — внутри лазер, блок питания и экран. Выбираете металл и толщину, и аппарат сам подбирает мощность.
• Охлаждение — лазер сильно греется. Компактные модели остужают вентиляторы, мощные — водяной охладитель.
• Кабель — стеклянное волокно в оплётке. Наступать на него нельзя, стекло легко повредить.
• Пистолет — линзы, которые собирают луч в точку, и защитное стёклышко. На него летят брызги металла, поэтому его время от времени меняют.
• Качание луча — зеркальце в пистолете водит точку по кругу сотни раз в секунду. Шов становится шире, до 5 мм, поэтому попасть в стык легче.
• Подача проволоки — как у полуавтомата: добавляет металл в шов, когда между деталями есть щель.
• Защитный газ — накрывает расплав, чтобы его не испортил воздух. Обычно это аргон. Азот дешевле и годится для нержавейки и стали, но алюминий и титан от него становятся хрупкими.

Многие аппараты продают как «3 в 1»: сварка, резка и очистка. Лазер там один и тот же, просто меняются насадка и режим. Для очистки луч быстро водят широкой полосой, и он сжигает ржавчину, не успевая расплавить металл. Для резки весь луч собирают в точку, и он прожигает металл насквозь.

Что умеет лазерная сварка

Принцип работы ручного лазерного сварочного аппарата прост: чем мощнее лазер, тем толще металл он проварит за проход. На деле популярные модели на 1,5 кВт уверенно варят сталь до 3–4 мм. Для листа 1–2 мм такой мощности хватит за глаза, а всё что толще толще варят с двух сторон или берут аппарат мощнее.

К стыку тонкий луч придирчив. Точка в 0,3 мм должна попасть сразу на обе кромки. Если щель между деталями шире луча, он пройдёт в неё, не задев металл, и шва не получится. Без проволоки допустима щель около 0,2 мм — это два листа офисной бумаги. С проволокой — около 1 мм. Представьте себе точность такой работы.

Поэтому детали сначала подгоняют: ровно обрезают кромки и плотно стягивают струбцинами. Лучше всего лазер варит как раз то, что нарезано точно, например на лазерной резке. А ржавый кузов или забор с кривыми стыками ему не по зубам — там полуавтомат справится лучше, быстрее и дешевле.

Десятилетиями лазерная сварка оставалась технологией крупных заводов: установки были огромными и дорогими. Работа промышленного лазерного сварочного аппарата обходится без сварщика: головку держит робот, а луч внутри неё гоняют зеркала — быстрее, чем робот успел бы сдвинуть руку.

Проще всего привести пример на автомобилях. Кузов Volkswagen Golf пятого поколения, вышедшего в 2003 году, держится примерно на 70 метрах лазерных швов — это две трети футбольного поля на одну машину. Есть маленькие импульсные лазеры, которые бьют короткими вспышками — они нужны ювелирам: ими точечно заваривают цепочки и кольца. Это прецизионная обработка, где дуга просто расплавила бы украшение.

Ручные аппараты стали массовыми только в последние годы. Ещё несколько лет назад на сварочных форумах обсуждали цены от миллиона рублей, а теперь самые простые модели продаются примерно за 300 тысяч.

Можно ли смотреть на лазерную сварку

Смотреть на любую сварку без защиты вредно. Дуга обычного аппарата даёт мощный ультрафиолет, и даже после пары минут без маски к вечеру глаза режет так, будто в них насыпали песка, — сварщики называют это «нахвататься зайчиков». У лазерной сварки опасность другая.

Лазерный луч инфракрасный, и глаз не замечает вспышку, поэтому даже не зажмуривается в попытках защититься от вредного излучения. Повредить сетчатку может прямой луч, его отражение от блестящей детали или яркое пятно расплавленного металла. Сварочные лазеры относятся к самому опасному, 4-му классу.

Поэтому сваркой работают в очках, рассчитанных именно на длину волны лазера: очки для другого света от него не спасут. Перед сварщиком никто не стоит, место отгораживают плотными шторами. Есть и другие опасности. Например, при работе с оцинковкой нужна вытяжка: цинк испаряется, а дышать его парами вредно.

Кому стоит покупать лазерный аппарат

Ручной аппарат на 1,5 кВт стоит на Яндекс Маркете от 290 тысяч до 1,3 млн рублей — ценник, от которого поморщится даже большой автосервис. Ради экзотики такую покупку явно делать не стоит. Но:

• Есть смысл, если вы много варите тонкую нержавейку, алюминий или оцинковку и хотите швы без шлифовки.
• Есть смысл, если детали нарезаны ровно и плотно стыкуются — например, в производстве мебели или ограждений из листа.
• Не стоит, если это кузовной ремонт ржавых машин или ворота с кривыми стыками. Тут сварочный инвертор или полуавтомат обойдутся в разы дешевле.
• Не стоит, если нет отдельного помещения и линии питания: шторы, вытяжку, газ и очки придётся покупать вместе с аппаратом.

И практичный совет. Заявленная толщина металла в характеристиках сварки обычно указана для идеально подогнанных деталей. Перед покупкой возьмите свои обычные заготовки — профиль или лист, который варите каждый день, — и попросите сварить их при вас. Так вы увидите, справится ли аппарат с вашими реальными стыками, а не с образцом из рекламы.

Ещё по теме

• Как спаять провода с помощью батарейки: контактная сварка в каждый дом
• Холодная сварка: действительно ли хорошо работает
• Как выбрать паяльник: советы для новичков