Co je laserové svařování?

Laserové svařování je důležitým aspektem technologie zpracování laserového materiálu a je často označováno jako laserový svařovací stroj. Běžně je klasifikován na základě svého pracovního režimu na laserové svařovací stroje (ruční svařovací stroje), automatické laserové svařovací stroje, laserové bodové svařovací stroje a vláknové laserové svařovací stroje. Laserové svařování využívá vysokoenergetické laserové pulsy k místnímu ohřevu malých oblastí materiálu. Energie z laserového záření difunduje do materiálu tepelným vedením, roztaví materiál a vytvoří specifickou tavnou lázeň pro dosažení účelu svařování.

V 70. letech se laserové svařování používalo především pro svařování tenkostěnných materiálů a nízkorychlostní svařování. Proces je tepelně vodivý, což znamená, že laserové záření ohřívá povrch obrobku a teplo pak difunduje do vnitřku vedením. Řízením parametrů, jako je šířka laserového pulsu, energie, špičkový výkon a opakovací frekvence, se obrobek roztaví a vytvoří specifickou roztavenou lázeň. Díky svým jedinečným výhodám bylo laserové svařování úspěšně aplikováno na přesné svařování mikro a malých dílů.

Příchod vysoce výkonných CO2 a YAG laserů otevřel nové oblasti pro laserové svařování, což vedlo ke svařování s hlubokým průvarem na základě teorie efektu malých děr. To vedlo ke stále rozšířenějším aplikacím v průmyslových odvětvích, jako je strojírenství, automobilový průmysl a ocel.

Ve srovnání s jinými technologiemi svařování jsou hlavní výhody laserového svařování:

1. Vysoká rychlost, velká hloubka a minimální deformace: Proces je rychlý, dosahuje hlubokých svarů s minimální deformací.

2. Všestrannost v podmínkách svařování: Svařování lze provádět při pokojové teplotě nebo za speciálních podmínek s jednoduchým nastavením zařízení. Například lasery mohou pracovat prostřednictvím elektromagnetických polí bez vychylování paprsku; svařování může probíhat ve vakuu, vzduchu nebo určitých plynných prostředích a přes průhledné materiály, jako je sklo.

3. Schopnost svařovat těžko tavitelné materiály: Laserové svařování dokáže pracovat s materiály, jako je titan a křemen, a dosáhnout dobrých výsledků s odlišnými materiály.

4. Vysoká hustota výkonu: Po zaostření má laser vysokou hustotu výkonu. Při vysokovýkonných svařovacích aplikacích může poměr hloubek k šířce dosáhnout až 5:1 a v některých případech až 10:1.

5. Schopnost mikro svařování: Laserový paprsek lze zaostřit pro dosažení velmi malých bodů a přesného polohování, takže je vhodný pro mikro a malé díly ve velkoobjemové automatizované výrobě.

6.Přístup do těžko přístupných oblastí: Laserové svařování může provádět bezkontaktní dálkové svařování s vysokou flexibilitou. Nedávný vývoj v laserové technologii YAG, jako je technologie přenosu vláken, dále rozšířil použití laserového svařování.

7. Vícepaprskové zpracování: Laserové paprsky lze prostorově a časově rozdělit, což umožňuje současné zpracování pomocí více paprsků a více pracovních stanic, což poskytuje podmínky pro přesnější svařování.

Laserové svařování má však také určitá omezení:

1.Požadavek na vysokou přesnost: Obrobek musí být sestaven s vysokou přesností a laserový paprsek musí být na obrobku přesně umístěn. Vzhledem k tomu, že laserový bod je po zaostření velmi malý a svar je úzký, je důležité zajistit, aby byla sestava obrobku a umístění paprsku přesné, aby se předešlo vadám svařování.

2. Vysoké náklady: Náklady na lasery a související systémy jsou poměrně vysoké a představují významnou počáteční investici.

1. Hustota výkonu

Hustota výkonu je jedním z nejdůležitějších parametrů laserového zpracování. Vyšší hustota energie může zahřát povrch na jeho bod varu během mikrosekund, což způsobí značné odpařování. Proto je vysoká hustota výkonu výhodná pro procesy odstraňování materiálu, jako je vrtání, řezání a gravírování. U nižších výkonových hustot trvá několik milisekund, než povrchová teplota dosáhne bodu varu. Než se povrch odpaří, spodní vrstvy dosáhnou bodu tavení, což usnadňuje dobré tavné svařování. Při laserovém svařování konduktivním typem se hustota výkonu obvykle pohybuje od 10410^4104 do 10610^6106 W/cm².

2. Laserový pulzní průběh

Tvar vlny laserového pulsu je důležitou otázkou při laserovém svařování, zejména při svařování tenkých plechů. Když laserový paprsek vysoké intenzity dopadne na povrch materiálu, 60 % až 98 % laserové energie se odrazí pryč a odrazivost se mění s teplotou povrchu. Během jediného laserového pulzu se výrazně změní odrazivost kovu.

3. Doba trvání laserového pulsu

Doba trvání pulsu je zásadní parametr při pulsním laserovém svařování. Rozlišuje mezi úběrem materiálu a tavením materiálu a je také klíčovým faktorem při určování nákladů a velikosti zpracovatelského zařízení.

4.Vliv zaostřovací vzdálenosti na kvalitu svařování

Laserové svařování často vyžaduje určitý stupeň rozostření, protože hustota výkonu v ohnisku laseru je velmi vysoká, což může vést k tvorbě děr v důsledku odpařování. V rovinách vzdálených od ohniska laseru je rozložení hustoty výkonu relativně jednotné.

Existují dva typy rozostření: pozitivní rozostření a negativní rozostření. K pozitivnímu rozostření dochází, když je ohnisková rovina nad obrobkem, zatímco k zápornému rozostření dochází, když je ohnisková rovina pod obrobkem. Podle teorie geometrické optiky, když jsou kladné a záporné rozostření stejné, je hustota výkonu v odpovídajících rovinách přibližně stejná. Avšak tvary získaných roztavených lázní jsou různé.

Negativní rozostření může mít za následek větší hloubku taveniny, což souvisí s procesem tvorby roztavené lázně. Experimenty ukázaly, že když laser zahřeje materiál po dobu 50 až 200 mikrosekund, materiál se začne tavit, tvoří se tekutý kov a vypařuje se, vytváří se vysokotlaká pára, která je vypuzována velmi vysokou rychlostí a vytváří jasné bílé světlo. Současně vysoká koncentrace plynu způsobí, že se tekutý kov přesune k okraji roztavené lázně a vytvoří prohlubeň ve středu lázně. Během negativního rozostření je hustota energie uvnitř materiálu vyšší než na povrchu, což vede k silnějšímu tání a odpařování, což umožňuje světelné energii proniknout hlouběji do materiálu. Proto se v praktických aplikacích používá negativní rozostření, když je požadována větší hloubka taveniny, zatímco pozitivní rozostření je preferováno pro svařování tenkých materiálů.

1. Svařování mezi plechy

To zahrnuje čtyři procesní metody: svařování na tupo, okrajové svařování, tavné svařování se středovou penetrací a tavné svařování s perforací uprostřed.

2. Svařování mezi dráty

To zahrnuje čtyři procesní metody: svařování na tupo drát na drát, křížové svařování, paralelní přeplátované svařování a svařování T-spojem.

3.Svařování kovových drátů k blokovým součástem

Laserové svařování může úspěšně spojovat kovové dráty s blokovými součástmi, přičemž velikost blokových součástí je flexibilní. Při svařování je třeba věnovat pozornost geometrickým rozměrům součástí drátu.

4.Svařování různých kovů

Svařování různých typů kovů zahrnuje řešení svařitelnosti a rozsahu svarových parametrů. Laserové svařování mezi různými materiály je možné pouze pro specifické kombinace materiálů.

Některá spojení mezi součástmi nejsou vhodná pro laserové tavné svařování, ale mohou těžit z použití laserů jako zdroje tepla pro měkké pájení a tvrdé pájení, které nabízejí podobné výhody jako laserové tavné svařování. Existují různé způsoby pájení, přičemž laserové měkké pájení se primárně používá pro pájení desek plošných spojů, zejména při montáži plošných součástek. Ve srovnání s jinými metodami nabízí měkké laserové pájení následující výhody:

1. Lokalizované vytápění: Vzhledem k tomu, že je zahřívání lokalizované, je méně pravděpodobné, že součásti utrpí tepelné poškození a tepelně ovlivněná zóna je malá. To umožňuje provádět měkké pájení v blízkosti součástek citlivých na teplo.

2.Bezkontaktní vytápění: Díky bezkontaktnímu ohřevu a široké oblasti tavení nejsou potřeba žádné další nástroje. Tato metoda umožňuje zpracování po namontování součástek na obě strany oboustranné desky s plošnými spoji.

3. Stabilní opakovatelnost: Stabilita opakovaných operací je vysoká. Tavidlo má minimální znečištění svařovacích nástrojů a doba expozice laseru a výstupní výkon jsou snadno kontrolovatelné, což vede k vysoké výtěžnosti laserem pájených produktů.

4.Easy Beam Spliting: Laserové paprsky lze snadno rozdělit pomocí optických komponent, jako jsou polopropustná zrcadla, reflektory, hranoly a skenovací zrcadla, což umožňuje současné symetrické svařování ve více bodech.

5. Flexibilita vlnové délky: Laserové pájení běžně používá jako zdroj tepla lasery s vlnovou délkou 1,06 µm, které lze přenášet přes optická vlákna. To umožňuje zpracování v oblastech obtížně svařitelných konvenčními metodami a nabízí větší flexibilitu.

6. Dobrá schopnost zaostření: Schopnost ostření je vynikající, takže je snadné dosáhnout automatizace se zařízeními s více stanicemi.

Metalurgické procesy a teoretické principy

Metalurgické a fyzikální procesy laserového hloubkového penetračního svařování jsou velmi podobné procesům svařování elektronovým paprskem, kde je mechanismu přeměny energie dosaženo prostřednictvím struktury "malé díry". Při ozáření paprskem s dostatečně vysokou hustotou výkonu se materiál odpaří a vytvoří malý otvor. Tato malá díra naplněná párou se chová jako černé těleso, absorbuje téměř veškerou dopadající světelnou energii, přičemž rovnovážná teplota uvnitř dutiny dosahuje přibližně 25,000 stupňů Celsia. Teplo se přenáší z vysokoteplotní stěny dutiny a způsobuje tavení okolního kovu. Malý otvor je vyplněn vysokoteplotní párou generovanou kontinuálním odpařováním materiálu stěny pod nosníkem. Stěny malého otvoru jsou obklopeny roztaveným kovem a tekutý kov je obalen pevným materiálem. Proudění kapaliny vně otvoru a povrchové napětí vrstvy stěny vyrovnávají kontinuální tlak par uvnitř dutiny a udržují dynamickou rovnováhu. Paprsek nepřetržitě vstupuje do malého otvoru a materiál vně otvoru nepřetržitě proudí. Jak se paprsek pohybuje, malý otvor zůstává ve stabilním průtokovém stavu. Jinými slovy, malý otvor a okolní roztavený kov se pohybují vpřed s vodicím paprskem, přičemž roztavený kov vyplní mezeru po malém otvoru a následně ztuhne, čímž vytvoří svar.

Ovlivňující faktory

Mezi faktory ovlivňující svařování hlubokou penetrací laserem patří: výkon laseru, průměr laserového paprsku, absorpce materiálu, rychlost svařování, ochranný plyn, ohnisková vzdálenost čočky, poloha ohniska, poloha laserového paprsku a postupné zvyšování a snižování výkonu laseru na začátku a konci body svařování.

Charakteristika a výhody laserového hloubkového penetračního svařování

Vlastnosti:

1. Vysoký poměr hloubky k šířce: Roztavený kov se tvoří a rozprostírá se kolem válcové dutiny pro vysokoteplotní páry, což má za následek svar, který je hluboký a úzký.

2. Minimální tepelný příkon: Vzhledem k velmi vysoké teplotě v dutině zdroje probíhá proces tavení extrémně rychle, s velmi nízkým přívodem tepla do obrobku, což vede k minimálnímu tepelnému zkreslení a tepelně ovlivněné zóně.

3. Vysoká hustota: Malý otvor naplněný vysokoteplotní párou usnadňuje míchání roztavené lázně a únik plynu, což vede k bezpórovým svarům. Vysoká rychlost ochlazování po svařování také pomáhá zjemnit mikrostrukturu svaru.

4. Silné svary: Výsledné svary jsou robustní a odolné.

5. Přesné ovládání: Proces umožňuje přesnou kontrolu nad parametry svařování.

6.Bezkontaktní, atmosférický svařovací proces: Proces svařování nezahrnuje přímý kontakt a probíhá v atmosférickém prostředí.

výhody:

1. Vysoká rychlost svařování a minimální zkreslení: Fokusovaný laserový paprsek má mnohem vyšší hustotu výkonu ve srovnání s konvenčními metodami, což má za následek vyšší rychlosti svařování, menší tepelně ovlivněné zóny a menší zkreslení. Umožňuje také svařování obtížných materiálů, jako je titan a křemen.

2.Snížené prostoje a zvýšená účinnost: Snadný přenos a ovládání paprsku spolu se sníženou potřebou časté výměny hořáku nebo trysky výrazně zkracuje prostoje pro pomocné operace, což vede k vyšší účinnosti a produktivitě.

3. Silné svary s vysokým celkovým výkonem: Čistící efekt a vysoká rychlost chlazení mají za následek silné svary s vysokým celkovým výkonem.

4. Vysoká přesnost a nižší náklady na přepracování: Nízký přívod tepla a vysoká přesnost zpracování snižují potřebu přepracování a provozní náklady laserového svařování jsou relativně nízké, což pomáhá snižovat výrobní náklady.

5. Snadnost automatizace: Proces usnadňuje automatizaci účinnou kontrolou nad intenzitou paprsku a přesným polohováním.