Vad är lasersvetsning?

Lasersvetsning är en viktig aspekt av lasermaterialbearbetningsteknik och kallas ofta för lasersvetsmaskin. Det klassificeras vanligtvis baserat på dess arbetsläge i laserformsvetsmaskiner (manuella svetsmaskiner), automatiska lasersvetsmaskiner, laserpunktsvetsmaskiner och fiberlasersvetsmaskiner. Lasersvetsning använder högenergilaserpulser för att lokalt värma upp små ytor av materialet. Energin från laserstrålningen diffunderar in i materialet genom värmeledning, smälter materialet och bildar en specifik smältbassäng för att uppnå svetsändamålet.

På 1970-talet användes lasersvetsning främst för svetsning av tunnväggiga material och låghastighetssvetsning. Processen är en värmeledningstyp, vilket innebär att laserstrålning värmer upp arbetsstyckets yta, och värmen diffunderar sedan in i det inre genom ledning. Genom att kontrollera parametrar som laserpulsbredd, energi, toppeffekt och repetitionsfrekvens smälts arbetsstycket för att bilda en specifik smältbassäng. På grund av dess unika fördelar har lasersvetsning framgångsrikt tillämpats på exakt svetsning av mikro- och smådelar.

Tillkomsten av högeffekts CO2- och YAG-lasrar har öppnat nya fält för lasersvetsning, vilket leder till djup penetrationssvetsning baserad på teorin om små hålseffekter. Detta har lett till allt mer utbredda tillämpningar inom industrier som maskiner, fordon och stål.

Jämfört med andra svetstekniker är de främsta fördelarna med lasersvetsning:

1.Hög hastighet, stort djup och minimal deformation: Processen är snabb, uppnår djupa svetsar med minimal deformation.

2.Mångsidighet i svetsförhållanden: Svetsning kan utföras i rumstemperatur eller under speciella förhållanden, med enkel utrustningsinställning. Till exempel kan lasrar arbeta genom elektromagnetiska fält utan strålavböjning; svetsning kan ske i vakuum, luft eller vissa gasmiljöer och genom transparenta material som glas.

3. Förmåga att svetsa svårsmälta material: Lasersvetsning kan hantera material som titan och kvarts och uppnå bra resultat med olika material.

4.Hög effekttäthet: Efter fokusering har lasern hög effekttäthet. I svetsapplikationer med hög effekt kan förhållandet mellan djup och bredd nå upp till 5:1 och i vissa fall upp till 10:1.

5. Mikrosvetsförmåga: Laserstrålen kan fokuseras för att uppnå mycket små fläckar och exakt positionering, vilket gör den lämplig för mikro- och smådelar i högvolym automatiserad produktion.

6. Tillgång till svåråtkomliga områden: Lasersvetsning kan utföra beröringsfri, fjärrsvetsning med hög flexibilitet. Den senaste utvecklingen inom YAG-laserteknik, såsom fiberöverföringsteknik, har ytterligare breddat tillämpningen av lasersvetsning.

7. Bearbetning av flera strålar: Laserstrålar kan delas spatialt och temporärt, vilket möjliggör samtidig bearbetning med flera strålar och flera arbetsstationer, vilket ger förutsättningar för mer exakt svetsning.

Men lasersvetsning har också vissa begränsningar:

1. Krav på hög precision: Arbetsstycket måste monteras med hög precision och laserstrålen måste vara korrekt placerad på arbetsstycket. Eftersom laserpunkten är mycket liten efter fokusering och svetssömmen är smal, är det avgörande att säkerställa att arbetsstyckets montering och strålpositionering är exakt för att undvika svetsfel.

2.Hög kostnad: Kostnaden för lasrar och relaterade system är relativt hög, vilket representerar en betydande initial investering.

1. Krafttäthet

Effekttäthet är en av de mest kritiska parametrarna vid laserbehandling. En högre effekttäthet kan värma ytan till dess kokpunkt inom mikrosekunder, vilket orsakar betydande förångning. Därför är hög effekttäthet fördelaktigt för materialborttagningsprocesser såsom borrning, skärning och gravering. För lägre effekttätheter tar det flera millisekunder för yttemperaturen att nå kokpunkten. Innan ytan förångas når de underliggande skikten smältpunkten, vilket underlättar bra smältsvetsning. Vid lasersvetsning av ledningstyp sträcker sig effekttätheten vanligtvis från 10410^4104 till 10610^6106 W/cm².

2. Laserpulsvågform

Laserpulsens vågform är en viktig fråga vid lasersvetsning, speciellt för tunnplåtssvetsning. När en högintensiv laserstråle träffar materialytan reflekteras 60 % till 98 % av laserenergin bort, och reflektionsförmågan varierar med yttemperaturen. Under en enda laserpuls förändras metallens reflektivitet avsevärt.

3.Laserpulslängd

Pulslängd är en avgörande parameter vid pulsad lasersvetsning. Den skiljer mellan materialavlägsnande och materialsmältning och är också en nyckelfaktor för att bestämma kostnaden och storleken på bearbetningsutrustning.

4. Inverkan av fokusavstånd på svetskvalitet

Lasersvetsning kräver ofta en viss grad av defokusering eftersom effekttätheten vid laserns brännpunkt är mycket hög, vilket kan leda till hålbildning på grund av avdunstning. På plan bort från laserns brännpunkt är fördelningen av effekttäthet relativt enhetlig.

Det finns två typer av oskärpa: positiv oskärpa och negativ oskärpa. Positiv defokusering inträffar när fokalplanet är ovanför arbetsstycket, medan negativ defokusering uppstår när fokalplanet är under arbetsstycket. Enligt geometrisk optikteori, när positiv och negativ defokus är lika, är effekttätheten på motsvarande plan ungefär densamma. Formerna på de erhållna smälta poolerna är emellertid olika.

Negativ defokusering kan resultera i ett större smältdjup, vilket är relaterat till bildningsprocessen av den smälta poolen. Experiment har visat att när lasern värmer materialet i 50 till 200 mikrosekunder, börjar materialet att smälta, bilda flytande metall och förångas, vilket skapar högtrycksånga som sprutas ut med mycket höga hastigheter, vilket ger ett starkt vitt ljus. Samtidigt gör den höga koncentrationen av gas att den flytande metallen flyttar till kanten av den smälta poolen och bildar en fördjupning i mitten av poolen. Under negativ defokusering är effekttätheten inuti materialet högre än vid ytan, vilket leder till starkare smältning och förångning, vilket tillåter ljusenergi att tränga djupare in i materialet. Därför, i praktiska tillämpningar, används negativ defokusering när ett större smältdjup krävs, medan positiv defokusering är att föredra för svetsning av tunna material.

1. Svetsning mellan ark

Detta inkluderar fyra processmetoder: stumsvetsning, kantsvetsning, centerpenetration smältsvetsning och centerperforering smältsvetsning.

2.Svetsning mellan trådar

Detta inkluderar fyra processmetoder: tråd-till-tråd stumsvetsning, tvärsvetsning, parallell överlappssvetsning och T-fogsvetsning.

3. Svetsning av metalltrådar till blockkomponenter

Lasersvetsning kan framgångsrikt ansluta metalltrådar till blockkomponenter, med storleken på blockkomponenterna som är flexibel. Vid svetsning bör man vara uppmärksam på trådkomponenternas geometriska dimensioner.

4.Svetsning av olika metaller

Svetsning av olika typer av metaller innebär att man tar upp svetsbarhet och svetsparametrar. Lasersvetsning mellan olika material är endast möjlig för specifika materialkombinationer.

Vissa anslutningar mellan komponenter är inte lämpliga för lasersvetsning men kan dra nytta av att använda lasrar som värmekälla för mjuklödning och hårdlödning, som erbjuder liknande fördelar som lasersvetsning. Det finns olika metoder för lödning, där lasermjuklödning främst används för lödning av tryckta kretskort, särskilt vid montering av arkliknande komponenter. Jämfört med andra metoder ger mjuk laserlödning följande fördelar:

1. Lokaliserad uppvärmning: Eftersom uppvärmningen är lokaliserad är det mindre troligt att komponenter drabbas av termisk skada och den värmepåverkade zonen är liten. Detta gör det möjligt att utföra mjuklödning nära värmekänsliga komponenter.

2. Beröringsfri uppvärmning: Med beröringsfri uppvärmning och ett brett smältområde behövs inga extra verktyg. Denna metod möjliggör bearbetning efter att komponenter har monterats på båda sidor av ett dubbelsidigt kretskort.

3. Stabil repeterbarhet: Stabiliteten för repetitiva operationer är hög. Flussmedlet har minimal förorening av svetsverktyg, och laserexponeringstid och uteffekt är lätt att kontrollera, vilket resulterar i ett högt utbyte av laserlödda produkter.

4. Enkel stråldelning: Laserstrålar kan enkelt delas med hjälp av optiska komponenter som halvtransparenta speglar, reflektorer, prismor och skanningsspeglar, vilket möjliggör samtidig symmetrisk svetsning vid flera punkter.

5. Våglängdsflexibilitet: Laserlödning använder vanligtvis lasrar med en våglängd på 1,06 µm som värmekälla, som kan överföras genom optiska fibrer. Detta möjliggör bearbetning i områden som är svåra att svetsa med konventionella metoder, vilket ger större flexibilitet.

6. God fokuseringsförmåga: Fokuseringsförmågan är utmärkt, vilket gör det enkelt att uppnå automatisering med flerstationsenheter.

Metallurgiska processer och teoretiska principer

De metallurgiska och fysiska processerna vid lasersvetsning med djup penetration påminner mycket om elektronstrålesvetsning, där energiomvandlingsmekanismen uppnås genom en struktur med "litet hål". Under bestrålningen av en tillräckligt hög effekttäthetsstråle förångas materialet för att bilda ett litet hål. Detta ångfyllda lilla hål fungerar som en svart kropp och absorberar nästan all infallande ljusenergi, med en jämviktstemperatur inuti kaviteten som når cirka 25,000 grader Celsius. Värme överförs från hålrumsväggen med hög temperatur, vilket gör att den omgivande metallen smälter. Det lilla hålet är fyllt med högtemperaturånga som genereras från kontinuerlig avdunstning av väggmaterialet under balken. Väggarna i det lilla hålet är omgivna av smält metall, och den flytande metallen är omsluten av fast material. Vätskeflödet utanför hålet och ytspänningen hos väggskiktet balanserar det kontinuerliga ångtrycket inuti kaviteten och upprätthåller dynamisk jämvikt. Strålen kommer kontinuerligt in i det lilla hålet, och materialet utanför hålet flödar kontinuerligt. När strålen rör sig förblir det lilla hålet i ett stabilt flödestillstånd. Med andra ord, det lilla hålet och den omgivande smälta metallen rör sig framåt med den främre balken, varvid smält metall fyller spalten som lämnas av det lilla hålet och stelnar sedan och bildar svetsen.

Påverkande faktorer

Faktorer som påverkar lasersvetsning med djup penetration inkluderar: lasereffekt, laserstrålediameter, materialabsorptionsförmåga, svetshastighet, skyddsgas, linsens brännvidd, brännpunktsposition, laserstrålens position och den gradvisa ökningen och minskningen av lasereffekten i början och slutet svetspunkter.

Egenskaper och fördelar med Laser Deep Penetration Welding

Egenskaper:

1.Högt förhållande mellan djup och bredd: Den smälta metallen formas och sträcker sig runt den cylindriska högtemperaturångkaviteten, vilket resulterar i en svets som är djup och smal.

2.Minimal värmetillförsel: På grund av den mycket höga temperaturen i källkaviteten, sker smältningsprocessen extremt snabbt, med mycket låg värmetillförsel till arbetsstycket, vilket leder till minimal termisk distorsion och värmepåverkad zon.

3.Hög densitet: Det lilla hålet fyllt med högtemperaturånga underlättar omrörning av den smälta poolen och gasutsläpp, vilket resulterar i porfria svetsar. Den höga kylningshastigheten efter svetsning bidrar också till att förfina svetsmikrostrukturen.

4. Starka svetsar: De resulterande svetsarna är robusta och hållbara.

5. Precis kontroll: Processen möjliggör noggrann kontroll över svetsparametrar.

6. Icke-kontakt, atmosfärisk svetsprocess: Svetsprocessen involverar inte direkt kontakt och sker i en atmosfärisk miljö.

Fördelar:

1.Hög svetshastighet och minimal distorsion: Den fokuserade laserstrålen har en mycket högre effekttäthet jämfört med konventionella metoder, vilket resulterar i högre svetshastigheter, mindre värmepåverkade zoner och mindre distorsion. Det möjliggör även svetsning av svåra material som titan och kvarts.

2.Reducerad stilleståndstid och ökad effektivitet: Lättheten för strålöverföring och kontroll, tillsammans med det minskade behovet av frekventa byten av brännare eller munstycken, minskar avsevärt stilleståndstiden för extraoperationer, vilket leder till högre effektivitet och produktivitet.

3. Starka svetsar med hög övergripande prestanda: Den renande effekten och den höga kylhastigheten resulterar i starka svetsar med hög total prestanda.

4.Hög precision och lägre omarbetningskostnader: Den låga värmetillförseln och den höga bearbetningsprecisionen minskar behovet av omarbetning, och driftskostnaderna för lasersvetsning är relativt låga, vilket bidrar till lägre produktionskostnader.

5. Enkel automatisering: Processen underlättar automatisering med effektiv kontroll över strålens intensitet och exakt positionering.