Посібник з основ лазерного зварювання
Основи лазерного зварювання
Лазерне зварювання - це безконтактний процес, який вимагає доступу до зони зварювання з одного боку деталей, що зварюються.
• Зварний шов утворюється, коли інтенсивне лазерне світло швидко нагріває матеріал – зазвичай обчислюється за мілісекунди.
• Зазвичай існує три типи зварних швів:
– Режим проведення.
– Режим провідності/проникнення.
– Режим проникнення або замкової щілини.
• Кондуктивне зварювання виконується при низькій щільності енергії, утворюючи неглибокий і широкий зварний кусок.
• Режим провідності/проникнення виникає при середній щільності енергії та демонструє більше проникнення, ніж режим провідності.
• Зварювання з проплавленням або замковою щілиною характеризується глибокими вузькими зварними швами.
– У цьому режимі лазерне світло утворює нитку випаровуваного матеріалу, відому як «замкова щілина», яка простягається в матеріал і забезпечує канал для ефективної доставки лазерного світла в матеріал.
– Ця пряма доставка енергії в матеріал не залежить від провідності для досягнення проникнення, і тому мінімізує тепло в матеріал і зменшує зону теплового впливу.
Кондуктивне зварювання
• Кондуктивне з’єднання описує групу процесів, у яких лазерний промінь фокусується:
– Щоб забезпечити щільність потужності порядку 10³ Втмм⁻²
– Він сплавляє матеріал для створення з’єднання без значного випаровування.
• Кондуктивне зварювання має два режими:
– Прямий нагрів
– Передача енергії.
Пряме нагрівання
• Під час прямого нагрівання,
– тепловий потік регулюється класичною теплопровідністю від поверхневого джерела тепла, а зварний шов виконується шляхом плавлення частин основного матеріалу.
• Перші електропровідні зварювальні шви були зроблені на початку 1960-х років, використовували малопотужний імпульсний рубін і CO2 лазери для з'єднувачів проводів.
• Електропровідні зварні шви можуть бути виконані в широкому діапазоні металів і сплавів у формі дроту та тонких листів у різних конфігураціях.
- CO2 , Nd:YAG та діодні лазери з рівнями потужності порядку десятків ват.
– Прямий нагрів за допомогою a CO2 лазерний промінь також можна використовувати для зварювання внахлест і встик полімерних листів.
Трансмісійне зварювання
• Пропускаюче зварювання є ефективним способом з’єднання полімерів, які пропускають ближнє інфрачервоне випромінювання Nd:YAG та діодних лазерів.
• Енергія поглинається за допомогою нових методів міжфазного поглинання.
• Композитні матеріали можна з’єднувати за умови схожості теплових властивостей матриці та армування.
• Режим передачі енергії провідним зварюванням використовується з матеріалами, які пропускають ближнє інфрачервоне випромінювання, зокрема полімерами.
• Поглинаючу фарбу розміщують на межі з’єднання внапуск. Чорнило поглинає енергію лазерного променя, який направляється на обмежену товщину навколишнього матеріалу з утворенням розплавленої міжфазної плівки, яка твердне у вигляді зварного з’єднання.
• З’єднання внахлест товстих секцій можна виконувати без розплавлення зовнішніх поверхонь з’єднання.
• Стикові зварні шви можна виконати, спрямувавши енергію до лінії з’єднання під кутом через матеріал з одного боку з’єднання або з одного кінця, якщо матеріал має високу пропускну здатність.
Лазерне паяння та пайка
• У процесах лазерного паяння та паяння промінь використовується для розплавлення наповнювача, який змочує краї з’єднання без плавлення основного матеріалу.
• Лазерне паяння почало набувати популярності на початку 1980-х років для з’єднання проводів електронних компонентів через отвори в друкованих платах. Параметри процесу визначаються властивостями матеріалу.
Лазерне зварювання проплавленням
• При високій густині потужності всі матеріали будуть випаровуватися, якщо енергія може бути поглинена. Таким чином, при зварюванні таким способом отвір зазвичай утворюється шляхом випаровування.
• Цей «отвір» потім проходить крізь матеріал, а розплавлені стінки закриваються за ним.
• У результаті виходить зварний шов із замковою щілиною. Він характеризується зоною плавлення з паралельними сторонами та малою шириною.
Ефективність лазерного зварювання
• Термін для визначення цієї концепції ефективності відомий як «ефективність об'єднання».
• Ефективність з’єднання не є справжньою ефективністю, оскільки вона має одиниці (мм2 з’єднаних/кДж поставленого).
– ККД=Vt/P (зворотне значення питомої енергії при різанні), де V = швидкість руху, мм/с; t = товщина шва, мм; P = падаюча потужність, кВт.
Ефективність приєднання
• Чим вище значення ефективності з'єднання, тим менше енергії витрачається на непотрібне нагрівання.
– Нижня зона теплового впливу (HAZ).
– Менше спотворення.
• Контактне зварювання є найефективнішим у цьому відношенні, тому що енергія плавлення та ЗТВ генерується лише на зварюваній поверхні високого опору.
• Лазерний і електронний промінь також мають хорошу ефективність і високу щільність потужності.
Варіації процесу
• Дугове лазерне зварювання.
– Дуга від пальника TIG, встановленого поблизу точки взаємодії лазерного променя, автоматично зафіксується на сформованій лазером гарячій точці.
– Температура, необхідна для цього явища, приблизно на 300°C вище температури навколишнього середовища.
– Ефект полягає або в стабілізації дуги, яка є нестабільною через швидкість переміщення, або в зменшенні опору дуги, яка є стабільною.
– Блокування відбувається лише для дуг із малим струмом і, отже, повільним катодним струменем; тобто для струмів менше 80А.
– Дуга розташована на тій самій стороні заготовки, що й лазер, що дозволяє подвоїти швидкість зварювання для помірного збільшення капітальних витрат.
• Двопроменеве лазерне зварювання
– Якщо два лазерних променя використовуються одночасно, то є можливість контролювати геометрію зварювальної ванни та форму зварювального валика.
– За допомогою двох електронних променів замкову щілину можна було стабілізувати, спричиняючи менше хвиль у зварювальній ванні та забезпечуючи краще проникнення та форму валика.
– Ексимер і CO2 Комбінація лазерних променів показала покращене з’єднання для зварювання матеріалів з високою відбивною здатністю, таких як алюміній або мідь.
– Розширений зв’язок розглядався головним чином через:
• зміна відбивної здатності через поверхневу хвилястість, спричинену ексимером.
• вторинний ефект, що виникає внаслідок зв'язку через плазму, що генерується ексимером.