Czym jest spawanie laserowe?

Spawanie laserowe jest ważnym aspektem technologii obróbki materiałów laserowych i jest często określane jako spawarka laserowa. Jest powszechnie klasyfikowane na podstawie trybu pracy na spawarki laserowe (ręczne spawarki), automatyczne spawarki laserowe, spawarki laserowe punktowe i spawarki laserowe światłowodowe. Spawanie laserowe wykorzystuje wysokoenergetyczne impulsy laserowe do lokalnego podgrzewania małych obszarów materiału. Energia z promieniowania laserowego dyfunduje do materiału poprzez przewodzenie cieplne, topiąc materiał i tworząc określone jeziorko stopu w celu osiągnięcia celu spawania.

W latach 70. spawanie laserowe było stosowane głównie do spawania materiałów cienkościennych i spawania z niską prędkością. Proces ten jest procesem przewodzenia ciepła, co oznacza, że ​​promieniowanie laserowe nagrzewa powierzchnię przedmiotu obrabianego, a ciepło następnie rozprasza się do wnętrza poprzez przewodzenie. Poprzez kontrolowanie parametrów, takich jak szerokość impulsu lasera, energia, moc szczytowa i częstotliwość powtarzania, przedmiot obrabiany jest topiony, tworząc określone jeziorko stopu. Ze względu na swoje unikalne zalety spawanie laserowe zostało z powodzeniem zastosowane do precyzyjnego spawania mikro i małych części.

Pojawienie się laserów CO2 i YAG o dużej mocy otworzyło nowe pola dla spawania laserowego, prowadząc do spawania z głęboką penetracją w oparciu o teorię efektu małych otworów. Doprowadziło to do coraz powszechniejszych zastosowań w takich gałęziach przemysłu, jak maszyny, motoryzacja i stal.

W porównaniu do innych technologii spawania, głównymi zaletami spawania laserowego są:

1. Duża prędkość, duża głębokość i minimalne odkształcenia:Proces jest szybki, umożliwia wykonywanie głębokich spoin przy minimalnych odkształceniach.

2. Wszechstronność w warunkach spawania:Spawanie może być wykonywane w temperaturze pokojowej lub w specjalnych warunkach, z prostym ustawieniem sprzętu. Na przykład lasery mogą działać przez pola elektromagnetyczne bez odchylania wiązki; spawanie może odbywać się w próżni, powietrzu lub niektórych środowiskach gazowych oraz przez materiały przezroczyste, takie jak szkło.

3. Zdolność spawania materiałów trudnotopliwych:Spawanie laserowe można stosować do spawania takich materiałów jak tytan i kwarc, a dobre rezultaty można uzyskać także przy spawaniu materiałów o różnych właściwościach.

4. Wysoka gęstość mocy:Po skupieniu laser ma wysoką gęstość mocy. W zastosowaniach spawalniczych o dużej mocy stosunek głębokości do szerokości może osiągnąć do 5:1, a w niektórych przypadkach do 10:1.

5. Możliwość mikrospawania:Promień lasera można skupić w celu uzyskania bardzo małych punktów i precyzyjnego pozycjonowania, dzięki czemu urządzenie nadaje się do obróbki mikro- i małych części w zautomatyzowanej produkcji wielkoseryjnej.

6.Dostęp do trudno dostępnych miejsc:Spawanie laserowe umożliwia bezkontaktowe, zdalne spawanie z dużą elastycznością. Ostatnie osiągnięcia w technologii laserowej YAG, takie jak technologia transmisji światłowodowej, jeszcze bardziej poszerzyły zastosowanie spawania laserowego.

7. Wielokrotne przetwarzanie wiązek:Promienie laserowe można dzielić przestrzennie i czasowo, co pozwala na jednoczesną obróbkę przy użyciu wielu wiązek i wielu stanowisk roboczych, stwarzając warunki do bardziej precyzyjnego spawania.

Spawanie laserowe ma jednak pewne ograniczenia:

1.Wymaganie wysokiej precyzji:Obrabiany przedmiot musi być zmontowany z dużą precyzją, a wiązka lasera musi być dokładnie ustawiona na obrabianym przedmiocie. Ponieważ plamka lasera jest bardzo mała po ustawieniu ostrości, a spoina jest wąska, kluczowe jest zapewnienie, że montaż obrabianego przedmiotu i pozycjonowanie wiązki są precyzyjne, aby uniknąć wad spawania.

2. Wysoki kosztKoszt laserów i związanych z nimi systemów jest stosunkowo wysoki, co oznacza znaczną początkową inwestycję.

1. Gęstość mocy

Gęstość mocy jest jednym z najważniejszych parametrów w obróbce laserowej. Wyższa gęstość mocy może ogrzać powierzchnię do temperatury wrzenia w ciągu mikrosekund, powodując znaczne parowanie. Dlatego wysoka gęstość mocy jest korzystna dla procesów usuwania materiału, takich jak wiercenie, cięcie i grawerowanie. W przypadku niższych gęstości mocy potrzeba kilku milisekund, aby temperatura powierzchni osiągnęła temperaturę wrzenia. Zanim powierzchnia odparuje, znajdujące się pod nią warstwy osiągają temperaturę topnienia, co ułatwia dobre spawanie. W spawaniu laserowym typu kondukcyjnego gęstość mocy zwykle waha się od 10410^4104 do 10610^6106 W/cm².

2. Kształt fali impulsu laserowego

Kształt fali impulsu laserowego jest ważną kwestią w spawaniu laserowym, zwłaszcza w spawaniu cienkich blach. Gdy wiązka laserowa o wysokiej intensywności uderza w powierzchnię materiału, od 60% do 98% energii lasera ulega odbiciu, a współczynnik odbicia zmienia się w zależności od temperatury powierzchni. Podczas pojedynczego impulsu laserowego współczynnik odbicia metalu zmienia się znacząco.

3. Czas trwania impulsu laserowego

Czas trwania impulsu jest kluczowym parametrem w spawaniu laserowym impulsowym. Rozróżnia usuwanie materiału i topienie materiału, a także jest kluczowym czynnikiem przy określaniu kosztów i wielkości sprzętu do obróbki.

4. Wpływ odległości ogniskowania na jakość spawania

Spawanie laserowe często wymaga pewnego stopnia rozogniskowania, ponieważ gęstość mocy w ognisku lasera jest bardzo wysoka, co może prowadzić do powstawania otworów z powodu parowania. Na płaszczyznach oddalonych od ogniska lasera rozkład gęstości mocy jest stosunkowo jednolity.

Istnieją dwa rodzaje rozogniskowania: dodatnie rozogniskowanie i ujemne rozogniskowanie. Dodatnie rozogniskowanie występuje, gdy płaszczyzna ogniskowa znajduje się nad przedmiotem obrabianym, podczas gdy ujemne rozogniskowanie występuje, gdy płaszczyzna ogniskowa znajduje się pod przedmiotem obrabianym. Zgodnie z teorią optyki geometrycznej, gdy dodatnie i ujemne rozogniskowanie są równe, gęstość mocy na odpowiadających sobie płaszczyznach jest mniej więcej taka sama. Jednak kształty uzyskanych jezior stopionych są różne.

Negatywne rozogniskowanie może skutkować większą głębokością stopu, co jest związane z procesem formowania się jeziorka stopionego metalu. Eksperymenty wykazały, że gdy laser podgrzewa materiał przez 50 do 200 mikrosekund, materiał zaczyna się topić, tworząc ciekły metal i odparowując, tworząc parę o wysokim ciśnieniu, która jest wyrzucana z bardzo dużą prędkością, wytwarzając jasne białe światło. Jednocześnie wysokie stężenie gazu powoduje, że ciekły metal przesuwa się do krawędzi jeziorka stopionego metalu, tworząc zagłębienie w środku jeziorka. Podczas ujemnego rozogniskowania gęstość mocy wewnątrz materiału jest wyższa niż na powierzchni, co prowadzi do silniejszego topnienia i odparowywania, umożliwiając głębsze wnikanie energii świetlnej w materiał. Dlatego w zastosowaniach praktycznych ujemne rozogniskowanie jest stosowane, gdy wymagana jest większa głębokość stopu, podczas gdy dodatnie rozogniskowanie jest preferowane do spawania cienkich materiałów.

1. Spawanie między arkuszami

Obejmuje ona cztery metody procesu: spawanie doczołowe, spawanie krawędziowe, spawanie z topieniem w środku oraz spawanie z topieniem w środku perforacji.

2. Spawanie między drutami

Obejmuje ona cztery metody procesu: spawanie doczołowe drut-do-drutu, spawanie poprzeczne, spawanie zakładkowe równoległe i spawanie typu T.

3. Spawanie drutów metalowych do elementów blokowych

Spawanie laserowe może skutecznie łączyć druty metalowe z elementami blokowymi, przy czym rozmiar elementów blokowych jest elastyczny. Podczas spawania należy zwrócić uwagę na wymiary geometryczne elementów drutowych.

4.Spawanie różnych metali

Spawanie różnych rodzajów metali wiąże się z koniecznością zajęcia się spawalnością i zakresem parametrów spawania. Spawanie laserowe różnych materiałów jest wykonalne tylko w przypadku określonych kombinacji materiałów.

Niektóre połączenia między komponentami nie nadają się do spawania laserowego, ale mogą skorzystać z laserów jako źródła ciepła do lutowania miękkiego i twardego, które oferują podobne zalety jak spawanie laserowe. Istnieją różne metody lutowania, przy czym lutowanie miękkie laserowe jest stosowane głównie do lutowania płytek drukowanych, szczególnie w montażu elementów o kształcie arkusza. W porównaniu z innymi metodami lutowanie miękkie laserowe oferuje następujące zalety:

1. Lokalne ogrzewanie:Ponieważ nagrzewanie jest zlokalizowane, komponenty są mniej narażone na uszkodzenia termiczne, a strefa wpływu ciepła jest mała. Dzięki temu możliwe jest wykonywanie lutowania miękkiego w pobliżu komponentów wrażliwych na ciepło.

2. Ogrzewanie bezkontaktowe: Dzięki bezkontaktowemu ogrzewaniu i szerokiemu obszarowi topienia nie są wymagane żadne dodatkowe narzędzia. Ta metoda umożliwia przetwarzanie po zamontowaniu komponentów po obu stronach dwustronnej płytki drukowanej.

3.Stabilna powtarzalność:Stabilność powtarzalnych operacji jest wysoka. Topnik powoduje minimalne zanieczyszczenie narzędzi spawalniczych, a czas ekspozycji lasera i moc wyjściowa są łatwo kontrolowane, co skutkuje wysoką wydajnością produktów lutowanych laserowo.

4.Łatwe dzielenie wiązki:Promień lasera można łatwo rozdzielić za pomocą elementów optycznych, takich jak półprzezroczyste lustra, reflektory, pryzmaty i lustra skanujące, co umożliwia jednoczesne symetryczne spawanie w wielu punktach.

5. Elastyczność długości fali:Lutowanie laserowe powszechnie wykorzystuje lasery o długości fali 1,06 µm jako źródło ciepła, które może być przesyłane przez włókna optyczne. Umożliwia to obróbkę w obszarach trudnych do spawania konwencjonalnymi metodami, oferując większą elastyczność.

6. Dobra zdolność skupiania uwagi:Możliwość ustawiania ostrości jest znakomita, co ułatwia automatyzację w przypadku urządzeń wielostanowiskowych.

Procesy metalurgiczne i zasady teoretyczne

Procesy metalurgiczne i fizyczne spawania laserowego z głęboką penetracją są bardzo podobne do procesów spawania wiązką elektronów, gdzie mechanizm konwersji energii jest osiągany poprzez strukturę „małego otworu”. Pod wpływem napromieniowania wiązką o dostatecznie dużej gęstości mocy materiał odparowuje, tworząc mały otwór. Ten wypełniony parą mały otwór działa jak czarne ciało, pochłaniając niemal całą padającą energię świetlną, przy czym temperatura równowagi wewnątrz wnęki osiąga około 25,000 stopni Celsjusza. Ciepło jest przenoszone z wysokotemperaturowej ściany wnęki, powodując stopienie otaczającego metalu. Mały otwór jest wypełniony wysokotemperaturową parą generowaną przez ciągłe odparowywanie materiału ścianki pod wiązką. Ściany małego otworu są otoczone stopionym metalem, a ciekły metal jest otoczony materiałem stałym. Przepływ cieczy poza otworem i napięcie powierzchniowe warstwy ścianki równoważą ciągłe ciśnienie pary wewnątrz wnęki, utrzymując dynamiczną równowagę. Wiązka ciągle wchodzi do małego otworu, a materiał poza otworem płynie ciągle. Gdy belka się porusza, mały otwór pozostaje w stabilnym stanie przepływu. Innymi słowy, mały otwór i otaczający go stopiony metal poruszają się do przodu wraz z wiodącą belką, a stopiony metal wypełnia lukę pozostawioną przez mały otwór i następnie krzepnie, tworząc w ten sposób spoinę.

Czynniki wpływające

Na jakość spawania laserowego z głęboką penetracją wpływają następujące czynniki: moc lasera, średnica wiązki laserowej, chłonność materiału, prędkość spawania, gaz osłonowy, ogniskowa soczewki, położenie ogniska, położenie wiązki laserowej oraz stopniowe zwiększanie i zmniejszanie mocy lasera w punktach początkowych i końcowych spawania.

Charakterystyka i zalety spawania laserowego z głęboką penetracją

Charakterystyka:

1. Wysoki stosunek głębokości do szerokości:Roztopiony metal tworzy się i rozprzestrzenia wokół cylindrycznej komory parowej o wysokiej temperaturze, w wyniku czego powstaje spoina, która jest głęboka i wąska.

2. Minimalne zużycie ciepła:Z uwagi na bardzo wysoką temperaturę w gnieździe źródłowym, proces topienia zachodzi niezwykle szybko, przy bardzo niskim dopływie ciepła do przedmiotu obrabianego, co prowadzi do minimalnych odkształceń cieplnych i strefy wpływu ciepła.

3. Wysoka gęstość: Mały otwór wypełniony parą o wysokiej temperaturze ułatwia mieszanie roztopionego jeziorka i ucieczkę gazu, co skutkuje spoinami bez porów. Wysoka szybkość chłodzenia po spawaniu pomaga również udoskonalić mikrostrukturę spoiny.

4. Mocne spoiny:Powstałe spoiny są mocne i trwałe.

5. Precyzyjna kontrolaProces ten pozwala na dokładną kontrolę parametrów spawania.

6.Bezkontaktowy proces spawania atmosferycznegoProces spawania nie wymaga bezpośredniego kontaktu i odbywa się w środowisku atmosferycznym.

Zalety:

1. Wysoka prędkość spawania i minimalne odkształcenia: Skupiona wiązka laserowa ma znacznie większą gęstość mocy w porównaniu do konwencjonalnych metod, co skutkuje szybszymi prędkościami spawania, mniejszymi strefami wpływu ciepła i mniejszymi zniekształceniami. Umożliwia również spawanie trudnych materiałów, takich jak tytan i kwarc.

2. Mniejszy czas przestoju i większa wydajność:Łatwość przesyłania i sterowania wiązką, a także zmniejszona potrzeba częstej wymiany palnika lub dyszy, znacząco skracają przestoje potrzebne na operacje pomocnicze, co przekłada się na wyższą wydajność i produktywność.

3. Mocne spoiny o wysokiej ogólnej wydajności:Efekt oczyszczający i wysoka szybkość chłodzenia skutkują mocnymi spoinami o wysokiej ogólnej wydajności.

4. Wysoka precyzja i niższe koszty przeróbek:Niskie zużycie ciepła i wysoka precyzja obróbki ograniczają potrzebę przeróbek, a koszty operacyjne spawania laserowego są stosunkowo niskie, co pomaga obniżyć koszty produkcji.

5. Łatwość automatyzacji:Proces ten umożliwia automatyzację dzięki skutecznej kontroli intensywności wiązki i precyzyjnemu pozycjonowaniu.