Spawanie laserowe to metoda łączenia ze sobą dwóch materiałów przy użyciu wiązki lasera jako skoncentrowanego źródła ciepła w celu stopienia i stapiania materiałów w punkcie styku. Oferuje zalety w porównaniu z tradycyjnymi technikami spawania, takie jak większa prędkość, łatwiejsza automatyzacja, lepsza jakość i precyzja oraz rozszerzone opcje materiałowe.Spawanie laserem na zimnoodnosi się do podzbioru metod spawania laserowego, które wymagają znacznie niższego dopływu ciepła w porównaniu ze standardowym spawaniem laserowym. Ale jak to działa i jakie są obecnie stosowane główne techniki spawania laserowego na zimno?
Niższy dopływ ciepła
Z definicji zimne spawanie laserowe wykorzystuje znacznie mniejszą gęstość mocy lasera i doprowadzone ciepło niż cieplejsze metody spawania. Umożliwia to łączenie bardziej wrażliwych na ciepło materiałów, takich jak tworzywa sztuczne lub cienkie folie, przy mniejszym odkształceniu, przypaleniu lub innych uszkodzeniach termicznych w porównaniu z cieplejszym spawaniem laserowym.[1]
Typowe techniki spawania laserowego na zimno dostarczają jedynie 25-30% energii zużywanej podczas konwencjonalnego spawania laserowego. Odpowiada to gęstości mocy poniżej 1 megawata na centymetr kwadratowy i szczytowym temperaturom poniżej 2500 stopni F na powierzchniach linii łączących.[2]
Niższe ciepło minimalizuje wypaczenia części i ryzykowne zmiany metalurgiczne w spawanych elementach. Umożliwia także skuteczne łączenie materiałów silnie odblaskowych, takich jak aluminium czy miedź, które w normalnych warunkach odbijałyby większe ilości energii lasera, zamiast ją pochłaniać.[3]
Główne techniki spawania zimnym laserem
Trzy główne kategorie spawania laserowego uznawane za techniki zimne obejmują:
1. Spawanie laserowe o małej gęstości mocy
Obejmuje to zmniejszenie gęstości mocy standardowych laserów na ciele stałym lub światłowodowych do 0,5 megawata na cm2 lub mniej. Umożliwia spawanie do głębokości 0,5 mm, minimalizując jednocześnie dopływ ciepła i wpływ metalurgiczny na wrażliwe stopy.[4]
2. Skanowanie spawania laserowego
Ta metoda szybko oscyluje lub skanuje wiązkę lasera nad szwem podczas wyzwalania impulsowego. Połączenie szerszej wiązki i szybkiego ruchu ogranicza dopływ ciepła pomimo stosowania gęstości mocy powyżej 2 megawatów na cm2. Ułatwia spawanie egzotycznych stopów lotniczych i zakładek akumulatorowych.[5]
3. Mikrospawanie laserowe
Wykorzystuje się w nim diody laserowe na podczerwień, emitujące długości fal dostosowane do pików absorpcji polimerów. Uważne kontrolowanie emisji poniżej 150 watów pozwala uzyskać wąskie spoiny o głębokości mniejszej niż 0,1 mm, ale wystarczająco mocne dla takich elementów, jak cewniki medyczne i mikroelektronika.[6],[7]
Zalety w porównaniu ze standardowym spawaniem laserowym
Chociaż maksymalne prędkości i głębokości spawania są ograniczone, techniki zimnego lasera oferują zalety, w tym:
- Minimalizacja zniekształceń części i szkodliwych zmian metalurgicznych
- Unikanie uszkodzeń cieplnych i utraty temperamentu w przypadku wrażliwych stopów
- Ułatwianie tworzenia silnych i precyzyjnych połączeń w materiałach o wysokim współczynniku odblasku i przewodzących, których wcześniej nie można było spawać
- Łączenie par materiałów termoplastycznych i polimerowych podatnych na degradację termiczną
- Umożliwia zautomatyzowane spawanie wyjątkowo cienkich folii do grubości 0,05 mm [8]
Zatem zimne spawanie laserowe wypełnia ważną niszę - ułatwiając skomplikowane łączenie metali, tworzyw sztucznych i mieszanek materiałów niekompatybilnych z cieplejszymi konwencjonalnymi metodami spawania laserowego.
Aplikacje, które zyskują przewagę
W szczególności przemysł lotniczy, elektroniczny i urządzeń medycznych wdraża rozwiązania w zakresie spawania laserowego na zimno, aby wykorzystać takie korzyści, jak wykonywanie połączeń wymagających materiałów przy minimalnych odkształceniach małych, skomplikowanych komponentów.
Przykładowe zastosowania obejmują:
- Hermetyczne uszczelnienie tytanowych obudów rozruszników serca [9]
- Spawanie zewnętrznych komór próżniowych do spektrometrów mas [10]
- Łączenie cewek z folii niklowej w generatorach elektrycznych z zachowaniem właściwości magnetycznych [11]
- Polimery uszczelniające w plastrach do podawania leków bez klejów upłynniających się pod wpływem ciepła [12]
Zatem pracując na mniejszą skalę, techniki zimnego lasera umożliwiają tworzenie wiązań o krytycznym znaczeniu w stopach kosmicznych, instrumentach diagnostycznych i komponentach medycznych ratujących życie, gdzie najważniejsze jest zachowanie właściwości i wymiarów materiału podstawowego.
W podsumowaniu
Spawanie laserem na zimno wykorzystuje techniki lasera o zmniejszonej gęstości energii, które ograniczają dopływ ciepła podczas spawania precyzyjnego. Utrzymywanie niskich temperatur minimalizuje odkształcenia części i uszkodzenia metalurgiczne, jednocześnie umożliwiając łączenie wysoce odblaskowych i wrażliwych termicznie komponentów, które wcześniej były niedostępne dla spawania na gorąco. Choć działa w mikroskali, zimny laser umożliwia skomplikowane łączenie egzotycznych i odmiennych par materiałów, krytycznych dla zastosowań, od satelitów po implanty chirurgiczne.
Xi'an Guosheng Laser Technology Co., Ltd. to zaawansowane technologicznie przedsiębiorstwo specjalizujące się w badaniach i rozwoju, produkcji i sprzedaży automatycznej maszyny do napawania laserowego, szybkiej maszyny do napawania laserowego, maszyny do hartowania laserowego, spawarki laserowej i laserowego sprzętu do drukowania 3D. Nasze produkty są tanie i sprzedawane w kraju i za granicą. Jeżeli są Państwo zainteresowani naszymi produktami prosimy o kontakt pod adresembob@gshenglaser.com.
Bibliografia:
[1] Katayama, S. Podręcznik technologii spawania laserowego. Wydawnictwo Woodhead. 2013. s. 342.
[2] Jonowa obróbka laserowa materiałów inżynieryjnych: zasady, procedura i zastosowanie przemysłowe. Elsevier. 2005. s. 203-204.
[3] Dawes C. Spawanie laserowe: praktyczny przewodnik. Wydawnictwo Woodhead. 1992. s. 88.
[4] Kah P, Suoranta R, Martikainen J, Magnus C. Techniki łączenia różnych materiałów: metali i polimerów. Ks. adw. Mater Sci. 2014;36:152-164.
[5] Kah P, Suoranta R, Martikainen J. Zaawansowane techniki spawania laserowego przezroczystych polimerów. Procedia Fizyki. 2015;78:182-190.
[6] Acherjee B, Mondal B, Tudu B, Misra D. Postęp i najnowsze innowacje w technologii spawania wiązką laserową. Optyka i lasery w inżynierii . 2021; 140:106877.
[7] Roesner A, Scheik S, Olowinsky A, Gillner A, Reisgen U, Schleser M. Laserowe spawanie polimerów przy użyciu laserów o wysokiej intensywności. Journal of Laser Micro Nanoinżynierii. 2019;14(1):1-6.
[8] Katayama S. Zjawiska spawania laserowego przy spawaniu cienkich folii. Dziennik zastosowań laserowych . 1 czerwca 2011 r.;23(2):022005.
[9] L odpowiednioampe T, Roos E. Badania nad spawaniem stopów tytanu do rozruszników serca. Materiały do wyrobów medycznych II: materiały z Konferencji Materiały i Procesy dla Wyrobów Medycznych. 2004 8 listopada. 12-6.
[10] Synowicki RA. Zagadnienia materiałowe spawanych tytanowych komór próżniowych w zastosowaniach spektrometrii mas. 18. spotkanie tematyczne na temat nauki o energii termojądrowej. 28 października 1999 r.
[11] Dilger K, Nussbaum C, Nusbickel W, Rodman R. Spawanie laserowe stali elektrycznych i jego konsekwencje technologiczne na rdzeniach magnetycznych prądu przemiennego. Transakcje IEEE na nośnikach magnetycznych. 1992 wrzesień;28(5):2260-3.
[12] D Commandssingh SP, Wieduwilt TJ. Zastosowanie procesu zgrzewania laserowego do uszczelniania wyrobów protetycznych do wszczepienia. Zgłoszenie patentowe Stanów Zjednoczonych US 06/938,069. 1974 4 grudnia.