Przewodnik po podstawach spawania laserowego
Podstawy spawania laserowego
Spawanie laserowe jest procesem bezkontaktowym, wymagającym dostępu do strefy spawania z jednej strony spawanych części.
• Spoina powstaje w wyniku szybkiego nagrzewania materiału przez intensywne światło lasera, co zwykle trwa milisekundy.
• Istnieją trzy rodzaje spoin:
– Tryb przewodzenia.
– Tryb przewodzenia/penetracji.
– Tryb penetracji lub dziurki od klucza.
• Spawanie metodą przewodzenia odbywa się przy niskiej gęstości energii, tworząc płytkie i szerokie jądro spoiny.
• Tryb przewodzenia/penetracji występuje przy średniej gęstości energii i wykazuje większą penetrację niż tryb przewodzenia.
• Spawanie metodą penetracyjną lub metodą dziurkowania charakteryzuje się wykonywaniem głębokich, wąskich spoin.
– W tym trybie światło lasera tworzy włókno z odparowanego materiału, znane jako „dziurka od klucza”, które wnika w materiał i stanowi kanał, przez który światło lasera może być skutecznie dostarczane do materiału.
– To bezpośrednie dostarczanie energii do materiału nie wymaga przewodzenia, aby osiągnąć penetrację, dzięki czemu minimalizuje ciepło do materiału i zmniejsza strefę wpływu ciepła.
Spawanie przewodzące
• Łączenie przez przewodnictwo opisuje rodzinę procesów, w których wiązka lasera jest skupiana:
– Aby uzyskać gęstość mocy rzędu 10³ Wmm⁻²
– Łączy materiały, tworząc połączenie bez znaczącego odparowywania.
• Spawanie przewodnościowe ma 2 tryby:
– Ogrzewanie bezpośrednie
– Przesyłanie energii.
Bezpośrednie ciepło
• Podczas bezpośredniego nagrzewania,
– przepływ ciepła odbywa się na zasadzie klasycznego przewodzenia ciepła ze źródła ciepła powierzchniowego, a spoina powstaje w wyniku topienia się części materiału bazowego.
• Pierwsze spoiny kondukcyjne wykonano na początku lat 1. XX wieku, stosowano w nich impulsy rubinowe o małej mocy i CO2 lasery do złączy przewodowych.
• Spoiny konduktometryczne można wykonywać z szerokiej gamy metali i stopów w postaci drutów i cienkich arkuszy w różnych konfiguracjach.
- CO2 , lasery Nd:YAG i diodowe o mocy rzędu kilkudziesięciu watów.
– Ogrzewanie bezpośrednie za pomocą CO2 wiązkę laserową można stosować również do wykonywania spoin zakładkowych i czołowych w arkuszach polimerowych.
Spawanie przekładni
• Spawanie transmisyjne jest skuteczną metodą łączenia polimerów, które przepuszczają promieniowanie bliskiej podczerwieni laserów Nd:YAG i diodowych.
• Energia jest absorbowana poprzez nowatorskie metody absorpcji międzyfazowej.
• Kompozyty można łączyć pod warunkiem, że właściwości termiczne matrycy i wzmocnienia są podobne.
• Tryb przesyłu energii spawania kondukcyjnego jest stosowany w przypadku materiałów, które przenoszą promieniowanie bliskiej podczerwieni, zwłaszcza polimerów.
• Absorbujący tusz jest umieszczany na styku połączenia zakładkowego. Tusz absorbuje energię wiązki laserowej, która jest kierowana do ograniczonej grubości otaczającego materiału, tworząc stopioną warstwę międzyfazową, która krzepnie jako połączenie spawane.
• Połączenia zakładkowe o grubych profilach można wykonywać bez topienia zewnętrznych powierzchni złącza.
• Spoiny czołowe można wykonywać, kierując energię w stronę linii łączenia pod kątem przez materiał po jednej stronie łączenia lub od jednego końca, jeśli materiał jest wysoce przepuszczalny.
Lutowanie i lutowanie laserowe
• W procesach lutowania i lutowania twardego laserem wiązka jest wykorzystywana do topienia dodatkowego spoiwa, które zwilża krawędzie złącza bez topienia materiału bazowego.
• Lutowanie laserowe zaczęło zyskiwać popularność na początku lat 1980. XX wieku w celu łączenia wyprowadzeń elementów elektronicznych przez otwory w płytkach drukowanych. Parametry procesu są określane przez właściwości materiału.
Spawanie laserowe z penetracją
• Przy wysokich gęstościach mocy wszystkie materiały wyparują, jeśli energia może zostać pochłonięta. Tak więc podczas spawania w ten sposób otwór zazwyczaj tworzy się przez parowanie.
• Następnie ten „otwór” przechodzi przez materiał, a za nim zamykają się roztopione ścianki.
• Rezultatem jest tzw. „spoina z oczkiem klucza”. Charakteryzuje się ona równoległymi bokami strefy stopienia i wąską szerokością.
Wydajność spawania laserowego
• Terminem definiującym tę koncepcję efektywności jest „efektywność łączenia”.
• Sprawność łączenia nie jest prawdziwą sprawnością, gdyż jej jednostkami są (połączone mm2 / dostarczone kJ).
– Sprawność = Vt/P (odwrotność energii właściwej cięcia), gdzie V = prędkość posuwu, mm/s; t = grubość spawania, mm; P = moc padająca, kW.
Dołączanie do efektywności
• Im wyższa wartość współczynnika sprawności łączenia, tym mniej energii jest zużywane na niepotrzebne ogrzewanie.
– Dolna strefa wpływu ciepła (HAZ).
– Mniejsze zniekształcenia.
• Zgrzewanie oporowe jest pod tym względem najbardziej wydajne, ponieważ energia stopienia i strefy HAZ powstaje wyłącznie na styku elementów o dużej rezystancji, które mają zostać zgrzane.
• Lasery i wiązka elektronów charakteryzują się również dobrą wydajnością i dużą gęstością mocy.
Odmiany procesu
• Spawanie laserowe wspomagane łukiem elektrycznym.
– Łuk palnika TIG zamontowanego blisko punktu interakcji wiązki laserowej automatycznie zablokuje się na wygenerowanym przez laser gorącym punkcie.
– Aby wystąpiło to zjawisko, wymagana jest temperatura o około 300°C wyższa od temperatury otoczenia.
– Efektem jest albo stabilizacja łuku, który jest niestabilny ze względu na prędkość jego przemieszczania, albo zmniejszenie oporu łuku, który jest stabilny.
– Blokada następuje wyłącznie w przypadku łuków o niskim natężeniu prądu, a więc przy wolnym strumieniu katody, tj. przy natężeniu prądu mniejszym niż 80 A.
– Łuk znajduje się po tej samej stronie przedmiotu obrabianego co laser, co pozwala na podwojenie prędkości spawania przy niewielkim wzroście kosztów kapitałowych.
• Spawanie laserowe podwójną wiązką
– Jeżeli używane są jednocześnie 2 wiązki laserowe, istnieje możliwość kontrolowania geometrii jeziorka spawalniczego i kształtu spoiny.
– Dzięki zastosowaniu dwóch wiązek elektronów udało się ustabilizować otwór spawalniczy, co spowodowało powstanie mniejszej liczby fal w jeziorku spawalniczym i zapewniło lepszą penetrację i kształt ściegu.
– Excimer i CO2 kombinacja wiązki laserowej wykazała, że możliwe było uzyskanie lepszego sprzężenia przy spawaniu materiałów o wysokim współczynniku odbicia, takich jak aluminium lub miedź.
– Ulepszone sprzężenie zostało rozważone głównie ze względu na:
• zmiana współczynnika odbicia światła na skutek pomarszczenia powierzchni wywołanego przez ekscymer.
• efekt wtórny powstający w wyniku sprzężenia poprzez plazmę wytworzoną przez excimer.
