Hvad er lasersvejsning?

Lasersvejsning er et vigtigt aspekt af lasermaterialebehandlingsteknologi og omtales ofte som lasersvejsemaskine. Det klassificeres almindeligvis baseret på dens arbejdstilstand i laserformsvejsemaskiner (manuelle svejsemaskiner), automatiske lasersvejsemaskiner, laserpunktsvejsemaskiner og fiberlaser-svejsemaskiner. Lasersvejsning bruger højenergi-laserimpulser til lokalt at opvarme små områder af materialet. Energien fra laserstrålingen diffunderer ind i materialet gennem termisk ledning, smelter materialet og danner en specifik smeltet pool for at opnå svejseformålet.

I 1970'erne blev lasersvejsning primært brugt til svejsning af tyndvæggede materialer og lavhastighedssvejsning. Processen er en varmeledningstype, hvilket betyder, at laserstråling opvarmer overfladen af ​​emnet, og varmen diffunderer derefter ind i det indre gennem ledning. Ved at kontrollere parametre som laserpulsbredde, energi, spidseffekt og gentagelsesfrekvens smeltes emnet til en specifik smeltet pool. På grund af dets unikke fordele er lasersvejsning med succes blevet anvendt til præcis svejsning af mikro- og smådele.

Fremkomsten af ​​højeffekt CO2- og YAG-lasere har åbnet nye felter for lasersvejsning, hvilket har ført til dyb penetrationssvejsning baseret på teorien om lille hul-effekt. Dette har ført til stadig mere udbredte anvendelser i industrier som maskiner, biler og stål.

Sammenlignet med andre svejseteknologier er de vigtigste fordele ved lasersvejsning:

1.Høj hastighed, stor dybde og minimal deformation: Processen er hurtig, opnår dybe svejsninger med minimal deformation.

2.Alsidighed i svejseforhold: Svejsning kan udføres ved stuetemperatur eller under særlige forhold, med enkel udstyrsopsætning. For eksempel kan lasere operere gennem elektromagnetiske felter uden stråleafbøjning; svejsning kan forekomme i vakuum-, luft- eller visse gasmiljøer og gennem transparente materialer som glas.

3. Evne til at svejse materialer, der er svære at smelte: Lasersvejsning kan håndtere materialer som titanium og kvarts, og opnå gode resultater med uens materialer.

4.Høj effekttæthed: Efter fokusering har laseren høj effekttæthed. I højeffektsvejseapplikationer kan dybde-til-bredde-forholdet nå op til 5:1 og i nogle tilfælde op til 10:1.

5. Mikrosvejsning: Laserstrålen kan fokuseres for at opnå meget små pletter og præcis positionering, hvilket gør den velegnet til mikro- og smådele i højvolumen automatiseret produktion.

6.Adgang til svært tilgængelige områder: Lasersvejsning kan udføre berøringsfri fjernsvejsning med høj fleksibilitet. Den seneste udvikling inden for YAG-laserteknologi, såsom fibertransmissionsteknologi, har yderligere udvidet anvendelsen af ​​lasersvejsning.

7. Multipel strålebehandling: Laserstråler kan opdeles rumligt og tidsmæssigt, hvilket muliggør samtidig behandling med flere stråler og flere arbejdsstationer, hvilket giver betingelser for mere præcis svejsning.

Lasersvejsning har dog også visse begrænsninger:

1. Krav til høj præcision: Emnet skal samles med høj præcision, og laserstrålen skal placeres nøjagtigt på emnet. Da laserpletten er meget lille efter fokusering, og svejsesømmen er smal, er det afgørende at sikre, at emnesamlingen og strålepositioneringen er præcis for at undgå svejsefejl.

2. Høje omkostninger: Omkostningerne til lasere og relaterede systemer er relativt høje, hvilket repræsenterer en betydelig initial investering.

1. Strømtæthed

Effekttæthed er en af ​​de mest kritiske parametre i laserbehandling. En højere effekttæthed kan opvarme overfladen til dets kogepunkt inden for mikrosekunder, hvilket forårsager betydelig fordampning. Derfor er høj effekttæthed gavnlig til materialefjernelsesprocesser såsom boring, skæring og gravering. For lavere effekttætheder tager det flere millisekunder for overfladetemperaturen at nå kogepunktet. Inden overfladen fordamper, når de underliggende lag smeltepunktet, hvilket letter en god smeltesvejsning. Ved lasersvejsning af ledningstypen varierer effekttætheden typisk fra 10410^4104 til 10610^6106 W/cm².

2.Laserpulsbølgeform

Laserimpulsens bølgeform er et vigtigt emne ved lasersvejsning, især ved tyndpladesvejsning. Når en laserstråle med høj intensitet rammer materialets overflade, reflekteres 60 % til 98 % af laserenergien væk, og reflektionsevnen varierer med overfladetemperaturen. Under en enkelt laserpuls ændres metallets reflektivitet betydeligt.

3.Laserpulsvarighed

Pulsvarighed er en afgørende parameter ved pulseret lasersvejsning. Den skelner mellem materialefjernelse og materialesmeltning og er også en nøglefaktor i bestemmelsen af ​​omkostningerne og størrelsen af ​​forarbejdningsudstyr.

4. Indvirkning af fokusafstand på svejsekvalitet

Lasersvejsning kræver ofte en vis grad af defokusering, fordi effekttætheden ved laserbrændpunktet er meget høj, hvilket kan føre til huldannelse på grund af fordampning. På fly væk fra laserbrændpunktet er effekttæthedsfordelingen relativt ensartet.

Der er to typer defokusering: positiv defokusering og negativ defokusering. Positiv defokusering opstår, når brændplanet er over emnet, mens negativ defokus opstår, når brændplanet er under emnet. Ifølge geometrisk optikteori, når positiv og negativ defokus er ens, er effekttætheden på de tilsvarende planer omtrent den samme. Formerne af de opnåede smeltede pools er imidlertid forskellige.

Negativ defokusering kan resultere i en større smeltedybde, hvilket er relateret til dannelsesprocessen af ​​den smeltede pool. Eksperimenter har vist, at når laseren opvarmer materialet i 50 til 200 mikrosekunder, begynder materialet at smelte, danner flydende metal og fordampning, hvilket skaber højtryksdamp, der udsendes ved meget høje hastigheder, hvilket producerer et stærkt hvidt lys. Samtidig får den høje koncentration af gas det flydende metal til at bevæge sig til kanten af ​​det smeltede bassin og danner en fordybning i midten af ​​bassinet. Under negativ defokusering er effekttætheden inde i materialet højere end ved overfladen, hvilket fører til stærkere smeltning og fordampning, hvilket tillader lysenergi at trænge dybere ind i materialet. Derfor bruges negativ defokusering i praktiske applikationer, når der kræves en større smeltedybde, mens positiv defokusering foretrækkes til svejsning af tynde materialer.

1.Svejsning mellem plader

Dette omfatter fire procesmetoder: stumpsvejsning, kantsvejsning, centerpenetration smeltesvejsning og centerperforering smeltende svejsning.

2.Svejsning mellem ledninger

Dette omfatter fire procesmetoder: wire-to-wire stumpsvejsning, krydssvejsning, parallel skødsvejsning og T-ledsvejsning.

3.Svejsning af metaltråde til blokkomponenter

Lasersvejsning kan med succes forbinde metaltråde til blokkomponenter, idet størrelsen af ​​blokkomponenterne er fleksibel. Under svejsning skal man være opmærksom på de geometriske dimensioner af trådkomponenterne.

4.Svejsning af forskellige metaller

Svejsning af forskellige typer metaller involverer adressering af svejsbarhed og rækken af ​​svejseparametre. Lasersvejsning mellem forskellige materialer er kun mulig for specifikke materialekombinationer.

Nogle forbindelser mellem komponenter er ikke egnede til lasersmeltesvejsning, men kan drage fordel af at bruge lasere som varmekilde til blødlodning og hårdlodning, som giver lignende fordele som lasersmeltesvejsning. Der findes forskellige metoder til lodning, hvor laserblødlodning primært anvendes til lodning af printplader, især ved samling af pladelignende komponenter. Sammenlignet med andre metoder giver blød laserlodning følgende fordele:

1. Lokaliseret opvarmning: Da opvarmningen er lokaliseret, er der mindre risiko for, at komponenter lider termisk skade, og den varmepåvirkede zone er lille. Dette gør det muligt at udføre blød lodning nær varmefølsomme komponenter.

2. Berøringsfri opvarmning: Med berøringsfri opvarmning og et bredt smelteområde kræves ingen ekstra værktøj. Denne metode giver mulighed for behandling, efter at komponenter er blevet monteret på begge sider af et dobbeltsidet printkort.

3. Stabil gentagelighed: Stabiliteten af ​​gentagne operationer er høj. Fluxen har minimal forurening af svejseværktøjer, og lasereksponeringstid og udgangseffekt styres let, hvilket resulterer i et højt udbytte af laserloddede produkter.

4. Nem stråleopdeling: Laserstråler kan let opdeles ved hjælp af optiske komponenter såsom semi-transparente spejle, reflektorer, prismer og scanningsspejle, hvilket muliggør samtidig symmetrisk svejsning på flere punkter.

5. Bølgelængde fleksibilitet: Laserlodning bruger almindeligvis lasere med en bølgelængde på 1,06 µm som varmekilde, som kan transmitteres gennem optiske fibre. Dette muliggør bearbejdning i områder, der er vanskelige at svejse ved hjælp af konventionelle metoder, hvilket giver større fleksibilitet.

6. God fokuseringsevne: Fokuseringsevnen er fremragende, hvilket gør det nemt at opnå automatisering med multistationsenheder.

Metallurgiske processer og teoretiske principper

De metallurgiske og fysiske processer ved laser dyb penetration svejsning minder meget om elektronstrålesvejsning, hvor energikonverteringsmekanismen opnås gennem en "lille hul" struktur. Under bestråling af en tilstrækkelig høj effekttæthedsstråle fordamper materialet og danner et lille hul. Dette dampfyldte lille hul fungerer som en sort krop, der absorberer næsten al den indfaldende lysenergi, med en ligevægtstemperatur inde i hulrummet, der når cirka 25,000 grader Celsius. Varme overføres fra hulmuren med høj temperatur, hvilket får det omgivende metal til at smelte. Det lille hul er fyldt med højtemperaturdamp genereret fra kontinuerlig fordampning af vægmaterialet under bjælken. Væggene i det lille hul er omgivet af smeltet metal, og det flydende metal er omsluttet af fast materiale. Væskestrømmen uden for hullet og væglagets overfladespænding afbalancerer det kontinuerlige damptryk inde i hulrummet og opretholder dynamisk ligevægt. Strålen kommer løbende ind i det lille hul, og materialet uden for hullet flyder kontinuerligt. Når strålen bevæger sig, forbliver det lille hul i en stabil strømningstilstand. Med andre ord bevæger det lille hul og det omgivende smeltede metal sig fremad med den forreste bjælke, hvor smeltet metal udfylder hullet efter det lille hul og efterfølgende størkner og danner således svejsningen.

Påvirkningsfaktorer

Faktorer, der påvirker lasersvejsning med dyb penetration, omfatter: lasereffekt, laserstrålediameter, materialeabsorptionsevne, svejsehastighed, beskyttelsesgas, linsens brændvidde, brændpunktsposition, laserstråleposition og den gradvise stigning og formindskelse af lasereffekt ved start og slutning svejsepunkter.

Karakteristika og fordele ved dyb lasersvejsning

Egenskaber:

1. Højt dybde-til-bredde-forhold: Det smeltede metal dannes og strækker sig rundt om det cylindriske højtemperaturdamphulrum, hvilket resulterer i en svejsning, der er dyb og smal.

2.Minimal varmetilførsel: På grund af den meget høje temperatur i kildehulrummet sker smeltningsprocessen ekstremt hurtigt, med meget lav varmetilførsel til emnet, hvilket fører til minimal termisk forvrængning og varmepåvirket zone.

3.Høj tæthed: Det lille hul fyldt med højtemperaturdamp letter omrøring af den smeltede pool og gasudslip, hvilket resulterer i porefri svejsninger. Den høje afkølingshastighed efter svejsning er også med til at forfine svejsemikrostrukturen.

4.Stærke svejsninger: De resulterende svejsninger er robuste og holdbare.

5. Præcis kontrol: Processen giver mulighed for nøjagtig kontrol over svejseparametre.

6. Ikke-kontakt, atmosfærisk svejseproces: Svejseprocessen involverer ikke direkte kontakt og finder sted i et atmosfærisk miljø.

Fordele:

1.Høj svejsehastighed og minimal forvrængning: Den fokuserede laserstråle har en meget højere effekttæthed sammenlignet med konventionelle metoder, hvilket resulterer i hurtigere svejsehastigheder, mindre varmepåvirkede zoner og mindre forvrængning. Det giver også mulighed for svejsning af vanskelige materialer som titanium og kvarts.

2.Reduceret nedetid og øget effektivitet: Den lette stråletransmission og -styring sammen med det reducerede behov for hyppige udskiftninger af brænder eller dyse reducerer nedetiden betydeligt for hjælpeoperationer, hvilket fører til højere effektivitet og produktivitet.

3. Stærke svejsninger med høj samlet ydeevne: Den rensende effekt og høje kølehastighed resulterer i stærke svejsninger med høj samlet ydeevne.

4.Høj præcision og lavere omarbejdningsomkostninger: Den lave varmetilførsel og høje forarbejdningspræcision reducerer behovet for efterbearbejdning, og driftsomkostningerne ved lasersvejsning er relativt lave, hvilket hjælper med at sænke produktionsomkostningerne.

5.Ease of automation: Processen letter automatisering med effektiv kontrol over stråleintensitet og præcis positionering.