Hva er lasersveising?

Lasersveising er et viktig aspekt ved lasermaterialbehandlingsteknologi og blir ofte referert til som lasersveisemaskin. Den klassifiseres vanligvis basert på arbeidsmodusen i laserformsveisemaskiner (manuelle sveisemaskiner), automatiske lasersveisemaskiner, laserpunktsveisemaskiner og fiberlaser-sveisemaskiner. Lasersveising bruker høyenergilaserpulser for lokalt å varme opp små områder av materialet. Energien fra laserstrålingen diffunderer inn i materialet gjennom termisk ledning, smelter materialet og danner et spesifikt smeltet basseng for å oppnå sveiseformålet.

På 1970-tallet ble lasersveising først og fremst brukt til sveising av tynnveggede materialer og lavhastighetssveising. Prosessen er en varmeledningstype, noe som betyr at laserstråling varmer opp overflaten av arbeidsstykket, og varmen diffunderer deretter inn i det indre gjennom ledning. Ved å kontrollere parametere som laserpulsbredde, energi, toppeffekt og repetisjonsfrekvens, smeltes arbeidsstykket for å danne et spesifikt smeltet basseng. På grunn av sine unike fordeler, har lasersveising blitt brukt til presis sveising av mikro- og smådeler.

Fremkomsten av høyeffekts CO2- og YAG-lasere har åpnet nye felt for lasersveising, noe som fører til dyp penetrasjonssveising basert på teorien om lite hull-effekt. Dette har ført til stadig mer utbredte bruksområder i bransjer som maskineri, bilindustri og stål.

Sammenlignet med andre sveiseteknologier er de viktigste fordelene med lasersveising:

1. Høy hastighet, stor dybde og minimal deformasjon: Prosessen er rask, oppnår dype sveiser med minimal deformasjon.

2. Allsidighet i sveiseforhold: Sveising kan utføres ved romtemperatur eller under spesielle forhold, med enkelt utstyrsoppsett. For eksempel kan lasere operere gjennom elektromagnetiske felt uten stråleavbøyning; sveising kan skje i vakuum, luft eller visse gassmiljøer, og gjennom gjennomsiktige materialer som glass.

3. Evne til å sveise materialer som er vanskelige å smelte: Lasersveising kan håndtere materialer som titan og kvarts, og oppnå gode resultater med ulikt materiale.

4.Høy effekttetthet: Etter fokusering har laseren høy effekttetthet. I sveiseapplikasjoner med høy effekt kan dybde-til-bredde-forholdet nå opptil 5:1, og i noen tilfeller opptil 10:1.

5. Mikrosveising: Laserstrålen kan fokuseres for å oppnå svært små flekker og presis posisjonering, noe som gjør den egnet for mikro- og smådeler i høyvolums automatisert produksjon.

6.Tilgang til vanskelig tilgjengelige områder: Lasersveising kan utføre berøringsfri, ekstern sveising med høy fleksibilitet. Nylig utvikling innen YAG-laserteknologi, som fiberoverføringsteknologi, har utvidet bruken av lasersveising ytterligere.

7. Multiple Beam Processing: Laserstråler kan deles romlig og tidsmessig, noe som muliggjør samtidig prosessering med flere stråler og flere arbeidsstasjoner, noe som gir forutsetninger for mer presis sveising.

Imidlertid har lasersveising også visse begrensninger:

1. Høy presisjonskrav: Arbeidsstykket må settes sammen med høy presisjon, og laserstrålen må være nøyaktig plassert på arbeidsstykket. Siden laserpunktet er veldig lite etter fokusering og sveisesømmen er smal, er det avgjørende å sørge for at arbeidsstykket og stråleplasseringen er nøyaktig for å unngå sveisefeil.

2. Høy kostnad: Kostnaden for lasere og relaterte systemer er relativt høye, noe som representerer en betydelig initial investering.

1. Krafttetthet

Effekttetthet er en av de mest kritiske parameterne i laserbehandling. En høyere effekttetthet kan varme overflaten til kokepunktet i løpet av mikrosekunder, og forårsake betydelig fordampning. Derfor er høy effekttetthet gunstig for materialfjerningsprosesser som boring, skjæring og gravering. For lavere effekttettheter tar det flere millisekunder før overflatetemperaturen når kokepunktet. Før overflaten fordamper, når de underliggende lagene smeltepunktet, noe som letter god smeltesveising. Ved lasersveising av ledningstype varierer effekttettheten typisk fra 10410^4104 til 10610^6106 W/cm².

2. Laserpulsbølgeform

Bølgeformen til laserpulsen er et viktig tema ved lasersveising, spesielt for tynnsveising. Når en laserstråle med høy intensitet treffer materialoverflaten, reflekteres 60 % til 98 % av laserenergien bort, og reflektiviteten varierer med overflatetemperaturen. Under en enkelt laserpuls endres reflektiviteten til metallet betydelig.

3.Laserpulsvarighet

Pulsvarighet er en avgjørende parameter ved pulserende lasersveising. Den skiller mellom materialfjerning og materialsmelting og er også en nøkkelfaktor for å bestemme kostnadene og størrelsen på prosessutstyr.

4. Effekten av fokusavstand på sveisekvaliteten

Lasersveising krever ofte en viss grad av defokusering fordi effekttettheten ved laserfokuspunktet er svært høy, noe som kan føre til hulldannelse på grunn av fordampning. På plan vekk fra laserfokuspunktet er effekttetthetsfordelingen relativt jevn.

Det finnes to typer defokusering: positiv defokusering og negativ defokusering. Positiv defokusering oppstår når fokalplanet er over arbeidsstykket, mens negativ defokus oppstår når brennplanet er under arbeidsstykket. I følge geometrisk optikkteori, når positiv og negativ defokus er like, er krafttettheten på de tilsvarende planene omtrent den samme. Imidlertid er formene på de oppnådde smeltede bassengene forskjellige.

Negativ defokusering kan resultere i en større smeltedybde, noe som er relatert til dannelsesprosessen til det smeltede bassenget. Eksperimenter har vist at når laseren varmer opp materialet i 50 til 200 mikrosekunder, begynner materialet å smelte, og danner flytende metall og fordamper, og skaper høytrykksdamp som sendes ut i svært høye hastigheter, og produserer et sterkt hvitt lys. Samtidig fører den høye konsentrasjonen av gass til at det flytende metallet beveger seg til kanten av det smeltede bassenget, og danner en fordypning i midten av bassenget. Under negativ defokusering er krafttettheten inne i materialet høyere enn ved overflaten, noe som fører til sterkere smelting og fordamping, noe som lar lysenergi trenge dypere inn i materialet. Derfor, i praktiske applikasjoner, brukes negativ defokusering når en større smeltedybde er nødvendig, mens positiv defokusering foretrekkes for sveising av tynne materialer.

1.Sveising mellom ark

Dette inkluderer fire prosessmetoder: stumpsveising, kantsveising, senterpenetrasjonssmeltesveising og senterperforeringssmeltesveising.

2.Sveising mellom ledninger

Dette inkluderer fire prosessmetoder: wire-to-wire stumpsveising, krysssveising, parallell overlappsveising og T-skjøtsveising.

3.Sveising av metalltråder til blokkkomponenter

Lasersveising kan med hell koble metalltråder til blokkkomponenter, og størrelsen på blokkkomponentene er fleksibel. Under sveising bør det tas hensyn til de geometriske dimensjonene til trådkomponentene.

4.Sveising av forskjellige metaller

Sveising av forskjellige typer metaller innebærer å adressere sveisbarhet og spekteret av sveiseparametere. Lasersveising mellom forskjellige materialer er kun mulig for spesifikke materialkombinasjoner.

Noen koblinger mellom komponenter er ikke egnet for lasersmeltesveising, men kan ha nytte av å bruke lasere som varmekilde for myklodding og hardlodding, som gir lignende fordeler som lasersmeltesveising. Det finnes ulike metoder for lodding, med myk laserlodding som primært brukes til lodding av trykte kretskort, spesielt ved montering av arklignende komponenter. Sammenlignet med andre metoder gir myk laserlodding følgende fordeler:

1. Lokalisert oppvarming: Siden oppvarmingen er lokalisert, er det mindre sannsynlig at komponenter får termisk skade, og den varmepåvirkede sonen er liten. Dette gjør det mulig å utføre myk lodding nær varmefølsomme komponenter.

2. Ikke-kontakt oppvarming: Med berøringsfri oppvarming og et bredt smelteområde er det ikke nødvendig med ekstra verktøy. Denne metoden gjør det mulig å behandle etter at komponenter har blitt montert på begge sider av et dobbeltsidig trykt kretskort.

3. Stabil repeterbarhet: Stabiliteten ved repeterende operasjoner er høy. Fluksen har minimal forurensning av sveiseverktøy, og lasereksponeringstid og utgangseffekt kontrolleres enkelt, noe som resulterer i et høyt utbytte av laserloddede produkter.

4.Easy Beam Splitting: Laserstråler kan enkelt deles ved hjelp av optiske komponenter som semi-transparente speil, reflektorer, prismer og skannespeil, noe som muliggjør samtidig symmetrisk sveising på flere punkter.

5. Bølgelengde fleksibilitet: Laserlodding bruker vanligvis lasere med en bølgelengde på 1,06 µm som varmekilde, som kan overføres gjennom optiske fibre. Dette tillater prosessering i områder som er vanskelige å sveise ved bruk av konvensjonelle metoder, og gir større fleksibilitet.

6. God fokuseringsevne: Fokuseringsevnen er utmerket, noe som gjør det enkelt å oppnå automatisering med multistasjonsenheter.

Metallurgiske prosesser og teoretiske prinsipper

De metallurgiske og fysiske prosessene ved lasersveising med dyp penetrering ligner veldig på elektronstrålesveising, hvor energikonverteringsmekanismen oppnås gjennom en "lite hull"-struktur. Under bestråling av en stråle med tilstrekkelig høy effekttetthet, fordamper materialet og danner et lite hull. Dette dampfylte lille hullet fungerer som en svart kropp, og absorberer nesten all innfallende lysenergi, med en likevektstemperatur inne i hulrommet som når omtrent 25,000 grader Celsius. Varme overføres fra hulveggen med høy temperatur, noe som får det omkringliggende metallet til å smelte. Det lille hullet er fylt med høytemperaturdamp generert fra kontinuerlig fordampning av veggmaterialet under bjelken. Veggene i det lille hullet er omgitt av smeltet metall, og det flytende metallet er omsluttet av fast materiale. Væskestrømmen utenfor hullet og overflatespenningen til vegglaget balanserer det kontinuerlige damptrykket inne i hulrommet, og opprettholder dynamisk likevekt. Strålen går kontinuerlig inn i det lille hullet, og materialet utenfor hullet flyter kontinuerlig. Når strålen beveger seg, forblir det lille hullet i en stabil strømningstilstand. Med andre ord, det lille hullet og det omgivende smeltede metallet beveger seg fremover med den ledende bjelken, med smeltet metall som fyller gapet etterlatt av det lille hullet og deretter størkner, og danner dermed sveisen.

Påvirkningsfaktorer

Faktorer som påvirker lasersveising med dyp penetrering inkluderer: laserkraft, laserstrålediameter, materialabsorpsjon, sveisehastighet, beskyttelsesgass, linsens brennvidde, brennpunktsposisjon, laserstråleposisjon, og gradvis økning og reduksjon av laserkraft ved start og slutt sveisepunkter.

Egenskaper og fordeler med lasersveising med dyp penetrering

Kjennetegn:

1. Høy dybde-til-bredde-forhold: Det smeltede metallet dannes og strekker seg rundt det sylindriske høytemperaturdamphulrommet, noe som resulterer i en sveis som er dyp og smal.

2.Minimal varmeinngang: På grunn av den svært høye temperaturen i kildehulrommet, skjer smelteprosessen ekstremt raskt, med svært lav varmetilførsel til arbeidsstykket, noe som fører til minimal termisk forvrengning og varmepåvirket sone.

3. Høy tetthet: Det lille hullet fylt med høytemperaturdamp letter omrøring av smeltebassenget og gassutslipp, noe som resulterer i porefrie sveiser. Den høye kjølehastigheten etter sveising bidrar også til å foredle sveisemikrostrukturen.

4.Sterke sveiser: De resulterende sveisene er robuste og holdbare.

5.Nøyaktig kontroll: Prosessen gir mulighet for nøyaktig kontroll over sveiseparametere.

6. Ikke-kontakt, atmosfærisk sveiseprosess: Sveiseprosessen involverer ikke direkte kontakt og skjer i et atmosfærisk miljø.

Fordeler:

1. Høy sveisehastighet og minimal forvrengning: Den fokuserte laserstrålen har en mye høyere effekttetthet sammenlignet med konvensjonelle metoder, noe som resulterer i høyere sveisehastigheter, mindre varmepåvirkede soner og mindre forvrengning. Den tillater også sveising av vanskelige materialer som titan og kvarts.

2. Redusert nedetid og økt effektivitet: Den enkle stråleoverføring og kontroll, sammen med det reduserte behovet for hyppige utskifting av brenner eller dyse, reduserer nedetiden betydelig for hjelpeoperasjoner, noe som fører til høyere effektivitet og produktivitet.

3. Sterke sveiser med høy total ytelse: Den rensende effekten og høye kjølehastigheten resulterer i sterke sveiser med høy total ytelse.

4. Høy presisjon og lavere omarbeidskostnader: Den lave varmetilførselen og høye prosesspresisjonen reduserer behovet for etterarbeid, og driftskostnadene ved lasersveising er relativt lave, noe som bidrar til å senke produksjonskostnadene.

5. Enkel automatisering: Prosessen letter automatisering med effektiv kontroll over stråleintensitet og presis posisjonering.