Що таке лазерне зварювання?

Лазерне зварювання є важливим аспектом технології лазерної обробки матеріалів, і його часто називають апаратом для лазерного зварювання. Залежно від режиму роботи його зазвичай класифікують на машини для лазерного зварювання прес-форм (ручні зварювальні апарати), автоматичні лазерні зварювальні апарати, лазерні точкові зварювальні апарати та волоконно-лазерні зварювальні апарати. Лазерне зварювання використовує лазерні імпульси високої енергії для локального нагрівання невеликих ділянок матеріалу. Енергія від лазерного випромінювання дифундує в матеріал через теплопровідність, розплавляючи матеріал і утворюючи особливу ванну розплаву для досягнення мети зварювання.

У 1970-х роках лазерне зварювання в основному використовувалося для зварювання тонкостінних матеріалів і низькошвидкісного зварювання. Цей процес є типом теплопровідності, тобто лазерне випромінювання нагріває поверхню деталі, а потім тепло розсіюється всередину через провідність. Контролюючи такі параметри, як ширина лазерного імпульсу, енергія, пікова потужність і частота повторення, заготовка розплавляється з утворенням спеціальної ванни розплаву. Завдяки своїм унікальним перевагам лазерне зварювання успішно застосовується для точного зварювання мікро- та дрібних деталей.

Поява потужних CO2 та YAG лазерів відкрила нові сфери для лазерного зварювання, що призвело до зварювання глибоким проплавленням на основі теорії ефекту малих отворів. Це призвело до все більш широкого застосування в таких галузях, як машинобудування, автомобілебудування та металургія.

Порівняно з іншими технологіями зварювання основними перевагами лазерного зварювання є:

1. Висока швидкість, велика глибина та мінімальна деформація: Процес швидкий, забезпечує глибокі зварні шви з мінімальною деформацією.

2. Універсальність в умовах зварювання: Зварювання можна проводити при кімнатній температурі або в спеціальних умовах, з простим налаштуванням обладнання. Наприклад, лазери можуть працювати через електромагнітні поля без відхилення променя; зварювання може відбуватися у вакуумі, повітрі чи певних газових середовищах, а також через прозорі матеріали, такі як скло.

3. Здатність зварювати важкоплавкі матеріали: Лазерне зварювання може працювати з такими матеріалами, як титан і кварц, і досягати хороших результатів з різними матеріалами.

4. Висока щільність потужності: Після фокусування лазер має високу щільність потужності. При зварюванні високої потужності співвідношення глибини до ширини може досягати 5:1, а в деяких випадках і до 10:1.

5. Можливість мікрозварювання: Лазерний промінь можна сфокусувати для отримання дуже маленьких плям і точного позиціонування, що робить його придатним для мікро- та малих деталей у великому автоматизованому виробництві.

6.Доступ до важкодоступних місць: Лазерне зварювання може виконувати безконтактне дистанційне зварювання з високою гнучкістю. Останні розробки в лазерній технології YAG, такі як технологія передачі волокна, ще більше розширили застосування лазерного зварювання.

7. Багатопроменева обробка: Лазерні промені можна розділяти просторово та в часі, що дозволяє одночасно обробляти декількома променями та кількома робочими станціями, створюючи умови для більш точного зварювання.

Однак лазерне зварювання також має певні обмеження:

1.Вимоги до високої точності: Деталь має бути зібрана з високою точністю, а лазерний промінь має бути точно розміщений на деталі. Оскільки лазерна пляма дуже мала після фокусування, а зварювальний шов вузький, дуже важливо переконатися, що складання заготовки та позиціонування променя є точним, щоб уникнути дефектів зварювання.

2. Висока вартість: Вартість лазерів і відповідних систем є відносно високою, що становить значні початкові інвестиції.

1. Щільність потужності

Щільність потужності є одним із найважливіших параметрів лазерної обробки. Вища щільність потужності може нагріти поверхню до точки кипіння за мікросекунди, викликаючи значне випаровування. Тому висока питома потужність є корисною для процесів видалення матеріалу, таких як свердління, різання та гравірування. Для меншої щільності потужності потрібно кілька мілісекунд, щоб температура поверхні досягла точки кипіння. Перш ніж поверхня випарується, нижні шари досягають температури плавлення, що сприяє якісному зварюванню плавленням. У кондуктивному лазерному зварюванні щільність потужності зазвичай коливається від 10410^4104 до 10610^6106 Вт/см².

2. Форма хвилі лазерного імпульсу

Форма хвилі лазерного імпульсу є важливим питанням у лазерному зварюванні, особливо для зварювання тонких листів. Коли лазерний промінь високої інтенсивності потрапляє на поверхню матеріалу, від 60% до 98% енергії лазера відбивається, а коефіцієнт відбиття змінюється залежно від температури поверхні. Під час одного лазерного імпульсу відбивна здатність металу істотно змінюється.

3. Тривалість лазерного імпульсу

Тривалість імпульсу є вирішальним параметром при імпульсному лазерному зварюванні. Він розрізняє видалення матеріалу та плавлення матеріалу, а також є ключовим фактором у визначенні вартості та розміру технологічного обладнання.

4. Вплив відстані фокусування на якість зварювання

Лазерне зварювання часто вимагає певного ступеня розфокусування, оскільки щільність потужності в фокусі лазера дуже висока, що може призвести до утворення дірок через випаровування. У площинах, віддалених від фокусної точки лазера, розподіл щільності потужності є відносно рівномірним.

Існує два типи розфокусування: позитивне розфокусування та негативне розфокусування. Позитивне розфокусування відбувається, коли фокальна площина знаходиться над деталлю, тоді як негативне розфокусування відбувається, коли фокальна площина знаходиться під деталлю. Відповідно до теорії геометричної оптики, коли позитивний і негативний дефокус рівні, щільність потужності на відповідних площинах приблизно однакова. Однак форми отриманих басейнів розплаву різні.

Негативний розфокус може призвести до більшої глибини розплаву, що пов’язано з процесом утворення басейну розплаву. Експерименти показали, що коли лазер нагріває матеріал протягом 50-200 мікросекунд, матеріал починає плавитися, утворюючи рідкий метал і випаровуючи, утворюючи пару під високим тиском, яка викидається з дуже високою швидкістю, створюючи яскраве біле світло. Одночасно висока концентрація газу змушує рідкий метал рухатися до краю розплавленої ванни, утворюючи поглиблення в центрі ванни. Під час негативного розфокусування щільність потужності всередині матеріалу вища, ніж на поверхні, що призводить до сильнішого плавлення та випаровування, що дозволяє світловій енергії проникати глибше в матеріал. Тому в практичних застосуваннях негативний дефокус використовується, коли потрібна більша глибина розплаву, тоді як позитивний дефокус є кращим для зварювання тонких матеріалів.

1. Зварювання між листами

Це включає в себе чотири методи процесу: зварювання встик, зварювання кромок, зварювання плавленням з проникненням по центру та зварювання плавленням з перфорацією по центру.

2. Зварювання між дротами

Це включає чотири методи процесу: стикове зварювання дріт-дрот, поперечне зварювання, паралельне зварювання внахлест і зварювання Т-подібним з’єднанням.

3. Зварювання металевих дротів до деталей блоку

Лазерне зварювання може успішно з’єднати металеві дроти з блоковими компонентами, причому розмір блокових компонентів є гнучким. Під час зварювання слід звертати увагу на геометричні розміри деталей дроту.

4.Зварювання різних металів

Зварювання різних типів металів передбачає вирішення питань зварюваності та діапазону параметрів зварювання. Лазерне зварювання різних матеріалів можливе лише для певних комбінацій матеріалів.

Деякі з’єднання між компонентами не підходять для лазерного зварювання плавленням, але можуть отримати переваги від використання лазерів як джерела тепла для м’якого та твердого паяння, які мають ті ж переваги, що й лазерне зварювання плавленням. Існують різні способи паяння, причому лазерне м’яке паяння в основному використовується для паяння друкованих плат, зокрема для складання листових компонентів. Порівняно з іншими способами лазерна м’яка пайка має такі переваги:

1. Локалізоване опалення: Оскільки нагрівання є локальним, компоненти мають меншу ймовірність термічного пошкодження, а зона теплового впливу невелика. Це дає можливість виконувати м'яку пайку поблизу термочутливих компонентів.

2.Безконтактний нагрів: З безконтактним нагріванням і широкою зоною плавлення не потрібні додаткові інструменти. Цей метод дозволяє виконувати обробку після встановлення компонентів з обох боків двосторонньої друкованої плати.

3. Стабільна повторюваність: Стабільність повторюваних операцій висока. Флюс мінімально забруднює зварювальні інструменти, а час впливу лазера та вихідна потужність легко контролюються, що забезпечує високий вихід виробів, спаяних лазером.

4. Легке розщеплення променя: Лазерні промені можна легко розділити за допомогою оптичних компонентів, таких як напівпрозорі дзеркала, відбивачі, призми та скануючі дзеркала, що забезпечує одночасне симетричне зварювання в кількох точках.

5. Гнучкість довжини хвилі: Лазерне паяння зазвичай використовує лазери з довжиною хвилі 1,06 мкм як джерело тепла, яке може передаватися через оптичні волокна. Це дозволяє обробляти місця, які важко зварювати звичайними методами, забезпечуючи більшу гнучкість.

6. Хороша здатність до фокусування: Можливість фокусування чудова, що дозволяє легко досягти автоматизації за допомогою пристроїв із кількома станціями.

Металургійні процеси та теоретичні основи

Металургійні та фізичні процеси лазерного зварювання глибоким проплавленням дуже схожі на процеси електронно-променевого зварювання, де механізм перетворення енергії досягається через структуру «маленького отвору». Під дією пучка достатньо високої щільності потужності матеріал випаровується, утворюючи невеликий отвір. Цей заповнений парою маленький отвір діє як чорне тіло, поглинаючи майже всю енергію падаючого світла, а рівноважна температура всередині порожнини досягає приблизно 25 000 градусів Цельсія. Тепло передається від високотемпературної стінки порожнини, спричиняючи плавлення навколишнього металу. Невеликий отвір заповнений високотемпературною парою, що утворюється в результаті безперервного випаровування матеріалу стіни під балкою. Стінки невеликого отвору оточені розплавленим металом, а рідкий метал покритий твердим матеріалом. Потік рідини поза отвором і поверхневий натяг шару стінки врівноважують постійний тиск пари всередині порожнини, підтримуючи динамічну рівновагу. Промінь безперервно входить у маленький отвір, а матеріал поза отвором тече безперервно. Коли промінь рухається, маленький отвір залишається в стані стабільного потоку. Іншими словами, маленький отвір і навколишній розплавлений метал рухаються вперед разом із провідним променем, при цьому розплавлений метал заповнює зазор, залишений малим отвором, і згодом твердне, утворюючи таким чином зварний шов.

Фактори впливу

Фактори, що впливають на лазерне зварювання глибоким проплавленням, включають: потужність лазера, діаметр лазерного променя, поглинаючу здатність матеріалу, швидкість зварювання, захисний газ, фокусну відстань лінзи, положення фокусної точки, положення лазерного променя, а також поступове збільшення та зменшення потужності лазера на початку та в кінці точки зварювання.

Характеристики та переваги лазерного зварювання глибокого проплавлення

Характеристики:

1. Високе співвідношення глибини до ширини: Розплавлений метал утворює та поширюється навколо циліндричної високотемпературної пароподібної порожнини, що призводить до глибокого та вузького зварного шва.

2. Мінімальне підведення тепла: Через дуже високу температуру в порожнині джерела процес плавлення відбувається надзвичайно швидко, з дуже низьким підведенням тепла до заготовки, що призводить до мінімальних теплових спотворень і зони теплового впливу.

3. Висока щільність: Невеликий отвір, заповнений високотемпературною парою, сприяє перемішуванню розплавленої ванни та виходу газу, що призводить до зварювання без пор. Висока швидкість охолодження після зварювання також допомагає покращити мікроструктуру зварного шва.

4. Міцні зварні шви: Отримані зварні шви міцні та довговічні.

5. Точний контроль: Процес дозволяє точно контролювати параметри зварювання.

6. Безконтактний атмосферний процес зварювання: Процес зварювання не передбачає прямого контакту та відбувається в атмосферному середовищі.

Переваги:

1. Висока швидкість зварювання та мінімальне спотворення: Сфокусований лазерний промінь має набагато вищу щільність потужності порівняно зі звичайними методами, що забезпечує більшу швидкість зварювання, менші зони термічного впливу та менші спотворення. Він також дозволяє зварювати складні матеріали, такі як титан і кварц.

2. Зменшення часу простою та підвищення ефективності: Легкість передачі променя та керування разом із зменшенням потреби в частій заміні пальника чи сопла значно скорочує час простою для допоміжних операцій, що призводить до підвищення ефективності та продуктивності.

3. Міцні зварні шви з високою загальною продуктивністю: Ефект очищення та висока швидкість охолодження забезпечують міцні зварні шви з високою загальною продуктивністю.

4. Висока точність і низькі витрати на переробку: Низьке підведення тепла та висока точність обробки зменшують потребу в доопрацюванні, а експлуатаційні витрати на лазерне зварювання відносно низькі, що сприяє зниженню виробничих витрат.

5.Простота автоматизації: Процес полегшує автоматизацію з ефективним контролем над інтенсивністю променя та точним позиціонуванням.