Průvodce základy laserového svařování

Základy laserového svařování

Laserové svařování je bezkontaktní proces, který vyžaduje přístup do svarové zóny z jedné strany svařovaných dílů.

• Svar se vytvoří, když intenzivní laserové světlo rychle zahřeje materiál – obvykle počítáno v milisekundách.

• Obvykle existují 3 typy svarů:

– Režim vedení.

– Režim vedení/penetrace.

– Režim penetrace nebo klíčové dírky.

• Svařování v kondukčním režimu se provádí při nízké hustotě energie a vytváří svarový nuget, který je mělký a široký.

• Režim vedení/pronikání se vyskytuje při střední hustotě energie a vykazuje větší průnik než režim vedení.

• Svařování v režimu průvaru nebo klíčové dírky se vyznačuje hlubokými úzkými svary.

– V tomto režimu vytváří laserové světlo vlákno z odpařeného materiálu známé jako „klíčová dírka“, která zasahuje do materiálu a poskytuje vedení pro laserové světlo, které se účinně přivádí do materiálu.

– Tato přímá dodávka energie do materiálu nespoléhá na vedení k dosažení penetrace, a tak minimalizuje teplo do materiálu a snižuje tepelně ovlivněnou zónu.

Kondukční svařování

• Kondukční spojování popisuje skupinu procesů, ve kterých je laserový paprsek zaostřen:

– Pro dosažení hustoty výkonu v řádu 10³ Wmm⁻²

– Spojuje materiál a vytváří spoj bez výrazného odpařování.

• Kondukční svařování má 2 režimy:

– Přímé vytápění

– Přenos energie.

Přímé teplo

• Při přímém ohřevu,

– tepelný tok je řízen klasickým vedením tepla z povrchového zdroje tepla a svar je proveden natavením částí základního materiálu.

• První vodivé svary byly provedeny na počátku 1. let 1960. století s použitím nízkovýkonových pulzních rubínových a CO2 lasery pro drátové konektory.

• Vodivé svary lze provádět v široké škále kovů a slitin ve formě drátů a tenkých plechů v různých konfiguracích pomocí.

- CO2 , Nd:YAG a diodové lasery s úrovněmi výkonu v řádu desítek wattů.

– Přímé vytápění a CO2 laserový paprsek lze také použít pro přeplátované a tupé svary u polymerových plechů.

Převodové svařování

• Transmisní svařování je účinný způsob spojování polymerů, které přenášejí blízké infračervené záření Nd:YAG a diodových laserů.

• Energie je absorbována prostřednictvím nových metod mezifázové absorpce.

• Kompozity lze spojovat za předpokladu, že tepelné vlastnosti matrice a výztuže jsou podobné.

• Režim přenosu energie kondukčního svařování se používá u materiálů, které propouštějí blízké infračervené záření, zejména u polymerů.

• Na rozhraní přeplátovaného spoje je umístěn absorbující inkoust. Inkoust absorbuje energii laserového paprsku, který je veden do omezené tloušťky okolního materiálu za účelem vytvoření roztaveného mezifázového filmu, který tuhne při svarovém spoji.

• Silné přeplátované spoje lze vyrobit bez roztavení vnějších povrchů spoje.

• Tupé svary lze provádět nasměrováním energie směrem k linii spoje pod úhlem skrz materiál na jedné straně spoje nebo z jednoho konce, pokud je materiál vysoce propustný.

Laserové pájení a pájení

• Při laserovém pájení a pájení se paprsek používá k roztavení přídavku plniva, který smáčí okraje spoje, aniž by došlo k roztavení základního materiálu.

• Laserové pájení začalo získávat na popularitě na počátku 1980. let. století pro spojování vývodů elektronických součástek skrz otvory v deskách plošných spojů. Parametry procesu jsou určeny vlastnostmi materiálu.

Penetrační laserové svařování

• Při vysokých výkonových hustotách se všechny materiály vypaří, pokud lze energii absorbovat. Při svařování tímto způsobem se tedy obvykle odpařením vytvoří otvor.

• Tato "díra" pak prochází materiálem a roztavené stěny se za ní utěsňují.

• Výsledkem je to, co je známé jako „svar klíčovou dírkou. Tento svar je charakteristický svou paralelní zónou svaru a malou šířkou.

Účinnost laserového svařování

• Termín pro definování tohoto konceptu efektivity je znám jako „účinnost spojení“.

• Účinnost spojování není skutečnou účinností, protože má jednotky (mm2 spoje /dodaný kJ).

– Účinnost = Vt/P (převrácená hodnota měrné energie při řezání), kde V = rychlost posuvu, mm/s; t = svařovaná tloušťka, mm; P = dopadající výkon, KW.

Efektivita spojení

• Čím vyšší je hodnota účinnosti spojování, tím méně energie se spotřebuje na zbytečné zahřívání.

– Dolní tepelně ovlivněná zóna (HAZ).

– Nižší zkreslení.

• Odporové svařování je v tomto ohledu nejúčinnější, protože tavenina a energie HAZ se generují pouze na svařovaném rozhraní s vysokým odporem.

• Laserový a elektronový paprsek mají také dobrou účinnost a vysokou hustotu výkonu.

Variace procesu

• Arc Augmented Laser Welding.

– Oblouk z hořáku TIG namontovaného v blízkosti bodu interakce laserového paprsku se automaticky zablokuje na laserem generovaném horkém místě.

– Teplota potřebná pro tento jev je asi 300°C nad okolní teplotou.

– Efektem je buď stabilizace oblouku, který je nestabilní v důsledku své rychlosti posuvu, nebo snížení odporu oblouku, který je stabilní.

– K zablokování dochází pouze u oblouků s nízkým proudem, a proto pomalým katodovým paprskem; tedy pro proudy menší než 80A.

– Oblouk je na stejné straně obrobku jako laser, což umožňuje zdvojnásobení rychlosti svařování pro mírné zvýšení investičních nákladů.

• Dvojpaprskové laserové svařování

– Při současném použití 2 laserových paprsků existuje možnost kontroly geometrie svarové lázně a tvaru svarové housenky.

– Pomocí 2 elektronových paprsků by mohla být klíčová dírka stabilizována, což by způsobilo méně vln na svarové lázni a poskytlo lepší penetraci a tvar housenky.

– Excimer a CO2 kombinace laserového paprsku ukázala zlepšenou vazbu pro svařování materiálů s vysokou odrazivostí, jako je hliník nebo měď.

– Rozšířená vazba byla zvažována především kvůli:

• změna odrazivosti povrchovým zvlněním způsobeným excimerem.

• sekundární efekt vznikající z vazby přes plazmu generovanou excimerem.