Роботизированная лазерная сварка: как устроен комплекс и где он оправдан

ГОСТ Р ИСО 857-1-2009 называет лазерной сваркой сварку плавлением, при которой металл нагревают монохроматическим когерентным лучом света; в перечне процессов у неё номер 52. Тот же стандарт различает сварку твердотельным лазером (521) и газовым лазером (522). Роботизированной сварка становится, когда её выполняет и ею управляет роботизированное оборудование: так сказано в ГОСТ Р 58904-2020.

Сам лазер робот на руке не несёт. Источник стоит в стороне, луч идёт к роботу по гибкому оптоволокну, а оптика сварочной головки собирает его в маленькое пятно. Плотность энергии в этом пятне плавит металл, и детали свариваются. Головка не касается детали, не давит на неё и не изнашивается, в отличие от горелки или клещей.

Лазер берут, когда шов должен быть узким, сварка быстрой, а деталь почти не должна коробиться от нагрева. В остальном ячейка похожа на любой роботизированный сварочный комплекс: деталь закрепляют в оснастке, робот работает по программе, а оператора отделяет ограждение.

Форма шва зависит от того, сколько мощности приходится на квадратный сантиметр пятна. По этому признаку TWI делит лазерную сварку на два режима.

В режиме теплопроводности плотность мощности обычно ниже 10⁵ Вт/см². Луч плавит металл с поверхности, вглубь тепло уходит только за счёт теплопроводности, поэтому глубина сварки ограничена. Зато шов застывает гладким и обычно не требует доработки. Этот режим выбирают для видимых швов и тонкостенных деталей.

Глубокое проплавление начинается при плотности мощности выше 10⁶–10⁷ Вт/см²; KUKA называет порог около 1 МВт/см². Теперь металл ещё и испаряется. Давление пара держит в ванне узкий канал, его называют паровым каналом или keyhole. Канал движется вдоль стыка, расплав обтекает его и застывает позади, и получается узкий глубокий шов. Луч идёт быстро, поэтому зона термического влияния остаётся узкой, а деталь почти не коробится. Тонкий металл лазер варит со скоростью в метры в минуту, а толстые детали с прямыми, неразделанными кромками соединяет узким глубоким швом.

Минимальный набор такой: лазерный источник, оптоволокно, сварочная головка с оптикой, робот, оснастка и защитное ограждение. Производители роботов собирают под эту задачу целые наборы. У KUKA, например, есть оптика, сварочные головки, преднастроенные ячейки и отдельное ПО KUKA.LaserTech для лазерных операций на роботе.

Источник. В российских комплексах чаще ставят волоконный лазер. VPG LaserONE выпускает непрерывные волоконные лазеры мощностью от 500 до 6000 Вт и прямо указывает, что их удобно встраивать в РТК лазерной сварки. Для точечной и шовной сварки в импульсном режиме у того же производителя есть квазинепрерывные лазеры с пиковой мощностью от 1500 до 6000 Вт: они меньше греют деталь.

Робот и головка. Робот лазерной сварки ведёт головку по траектории шва. К головке подают защитный газ, аргон или гелий, чтобы поверхность шва не окислялась. Если стык не держит узкий допуск, к ней подводят присадочную проволоку (подробнее в следующем разделе).

Оснастка. При сварке тонкого листа без присадки она важнее робота: прижимы держат листы и закрывают зазор прямо во время сварки. TWI различает неподвижные прижимы, которые фиксируют деталь до сварки, и подвижные, где ролик прижимает лист у самого шва.

Ограждение. Рабочую зону закрывают средствами защиты от лазерного излучения. Требования к ним задаёт ГОСТ IEC 60825-4-2014.

Пятно лазера маленькое, поэтому к сборке этот процесс строже, чем дуговая сварка. Для стыковых соединений TWI даёт ориентир: зазор обычно должен оставаться меньше 10 % толщины металла, иначе в шве появятся дефекты. Такой допуск закладывают, ещё когда режут и гнут заготовку, а не исправляют на месте.

TWI перечисляет способы расширить этот допуск:

• Присадочная проволока. Скорость падает, нагретая зона растёт, зато допуск поднимается примерно до 100 % толщины для сталей толщиной до 6 мм. По этой схеме работает промышленный сварочный робот лазером с присадкой. В автопроме так варят сварные заготовки из стали, алюминия и разнородных материалов.
• Колебание или вращение луча. Луч водят поперёк стыка, например с частотой 50 Гц, или вращают оптикой. Скорость ниже, но допуск растёт до 20–30 % толщины.
• Гибридная лазерно-дуговая сварка. К лазеру добавляют дугу. Процесс идёт быстрее, проплавляет глубже и спокойнее переносит разброс сборки. Дуговая часть гибрида устроена так же, как обычная роботизированная дуговая сварка.
• Два пятна. Два луча, поставленные рядом в общей ванне, заметно расширяют допуск по зазору.

KUKA называет среди отраслей автомобилестроение, авиакосмическую технику и медицину. TWI добавляет судостроение и тяжёлое машиностроение. Общее у этих задач одно: деталей много, геометрия повторяется, а от шва ждут, чтобы он был узким, ложился быстро и почти не коробил металл.

Отдельная история связана с аккумуляторами. Соединения медь с медью и медь с алюминием нужны в производстве батарей, и современные источники с излучением в зелёном или синем диапазоне умеют их варить. Как такая сварка встраивается в линию, разобрано в решении «Лазерная сварка аккумуляторов роботом».

Лазерную головку ставят и на коботы. FANUC приводит пример металлообрабатывающей компании Great Lakes Stainless: когда компания перешла на кобот CRX с лазерной сваркой, изделие стали варить 15 минут вместо трёх часов. Это одна деталь одного производителя в описании самого FANUC, переносить цифру на свою продукцию нельзя. Чем кобот отличается в сварке от промышленного робота, рассказано на странице о сварочном коботе.

Оборудование для лазерной сварки не заменяет остальные способы соединения. Дуговой процесс прощает сборке больше, чем лазер, поэтому на сварных конструкциях с разбросом зазоров дуга часто остаётся практичнее.

Кузова из тонкого листа внахлёст по-прежнему соединяют точками, и это отдельное применение: роботизированная контактная сварка. Туда же относится оборудование для контактной сварки арматуры, это контактный, а не лазерный процесс. Оборудование для орбитальной сварки труб тоже ищут рядом с лазерным, хотя это другая техника: сварочная головка обходит неповоротный стык трубы по окружности.

Лазер KUKA применяет и для пайки, а сама пайка как способ соединения без расплавления основного металла описана отдельно. Если деталь нельзя греть, выбирают нанесение клея роботом или клёпку. Резьбовые соединения ставит роботизированная сборка.

Волоконные лазеры в России делает VPG LaserONE, бывшее НТО «ИРЭ-Полюс», сейчас в группе Softline. В августе 2025 года министр Московской области говорила, что предприятие во Фрязине работает в лазерной индустрии 34 года и на нём больше 1 200 сотрудников.

Тогда же роботизированный комплекс лазерной сварки этой компании включили в реестр российской промышленной продукции Минпромторга. Комплекс LightBOT собран на базе аппарата LiteWELD мощностью 2 кВт и рассчитан на автоматическую сварку, наплавку и очистку. Его выпускают в разных комплектациях, в том числе для учебных заведений.

Лазерную ячейку закрывают ограждением, которое держит излучение. ГОСТ IEC 60825-4-2014 «Безопасность лазерной аппаратуры. Часть 4. Средства защиты от лазерного излучения» утверждён 11.11.2014 и идентичен IEC 60825-4 (2011). Он задаёт требования к постоянным и временным средствам защиты, например на время обслуживания, которые ограждают рабочую зону лазерной обработки.

Робот внутри ограждения подчиняется и общим правилам безопасности роботизированных систем. Как спроектировать защиту всей ячейки, разобрано в услуге «Безопасность роботизированной ячейки».

• Точная сборка. Без присадки зазор в стыке должен быть меньше 10 % толщины. Если заготовки режут и гнут с разбросом, лазер даст дефекты там, где дуга бы справилась.
• Оснастка дороже, чем кажется. Для тонкого листа прижимы, которые закрывают зазор во время сварки, решают больше, чем сам робот. Под каждую новую деталь их проектируют заново.
• Запас по допуску стоит скорости. Присадка и колебание луча расширяют допуск, но варить с ними приходится медленнее.
• Глубина в режиме теплопроводности ограничена. Для толстого металла нужен режим глубокого проплавления и соответствующая мощность источника.
• Медь требует своего источника. Медь с медью и с алюминием варят источниками с зелёным или синим излучением, обычный инфракрасный лазер здесь не универсален.
• Ячейка закрыта целиком. Рабочую зону ограждают средствами защиты от лазерного излучения по ГОСТ IEC 60825-4-2014, и это место и деньги в проекте.