Co to jest spawanie laserowe? Jak to działa?

Co to jest laserowe spawanie?

Spawanie laserowe to proces wykorzystujący wiązkę lasera do łączenia metali lub tworzyw termoplastycznych w celu utworzenia spoiny. Spawanie laserowe cienkich materiałów może odbywać się z dużą szybkością spawania w metrach na minutę ze względu na skupione źródło ciepła.

Może wykonywać wąskie, głębokie spoiny między elementami o kwadratowych krawędziach w grubszych materiałach. Istnieją dwa rodzaje spawania laserowego: spawanie z głębokim wtopieniem i spawanie z ograniczonym przewodzeniem.

Gęstość mocy w całej wiązce, która wpływa na obrabiany przedmiot, określa, w jaki sposób światło lasera oddziałuje ze spawanym materiałem. W tym poście omówimy wszystko, co musisz wiedzieć o spawaniu laserowym. Zacznijmy!

Jak działa spawanie laserowe?

Źródło pompy dostarcza energię do medium. Wzbudza laser w taki sposób, że elektrony w cząsteczkach są na krótki czas podnoszone do wyższego stanu energetycznego.

Elektrony w stanie stymulowanym nie mogą tam pozostać, ponieważ ich poziom energii gwałtownie spada.

Kiedy tracą nadwyżkę energii z pompy, uwalniają foton. Fotony generowane w tym procesie są zalążkiem powstawania lasera i nazywa się to emisją spontaniczną.

Fotony są emitowane przez samorzutne wyładowanie. Na końcu zderzają się z innymi elektronami w stanach wysokoenergetycznych. Kolejny foton powstaje, gdy zbliżający się foton „odbija” elektron ze stanu pobudzenia do niższego poziomu energii.

Wszystkie te fotony są takie same. Oznacza to, że idą w tym samym kierunku, mają tę samą długość fali i są w fazie. Emisja stymulowana to nazwa metody.

Emitowane są fotony we wszystkich kierunkach. Mimo to niektóre z nich migrują wzdłużnie, aby uderzyć w zwierciadła wibracyjne, które odbijają się z powrotem w medium. Zwierciadła wibracyjne decydują o preferowanym kierunku wzmocnienia ekscytującego wyładowania. Aby nastąpiła amplifikacja, stymulowana forma musi mieć wyższą frakcję atomów niż niższe poziomy energii. Do powstania lasera w wyniku inwersji populacji nadmiarowych atomów w stanie stymulowanym koniecznych jest kilka okoliczności.

Punkt koncentracji lasera kieruje się na powierzchnię spawanego przedmiotu. Na powierzchni koncentracja energii świetlnej zamienia się w energię cieplną. Substancja topnieje pod wpływem ciepła. Przewodnictwo powierzchniowe to proces, który pozwala mu poruszać się po powierzchni. Świecący poziom energii pozostaje poniżej temperatury parowania materiału obrabianego. Spawane materiały powinny mieć grubość 20 mm. Energia lasera jest skupiona. Jeśli pracujesz z materiałami, które mają wysoką przewodność cieplną, jest to plus.

Spawanie laserowe. Spawacz trzyma przedmiot w dłoni.
Zdjęcie przez: canadianmetalworking.com

Proces spawania laserowego

Spawanie laserowe polega na skupieniu silnie skoncentrowanej wiązki światła w bardzo małym miejscu, co powoduje, że obszar pod wiązką lasera pochłania światło i staje się niezwykle aktywny. Użycie intensywnych wiązek laserowych wytwarza w regionie prąd elektryczny do tego stopnia, że ​​materiał topi się, gdy atomy zrywają wiązania między sobą.

Spawanie laserowe można również stosować do łączenia tworzyw sztucznych.

Oba materiały topią się w szwach, łącząc je w złącze. W ciągu milisekund światło może być wystarczająco intensywne, aby przebić metale. Sprzęt do spawania laserowego wykorzystuje liczne elementy, które kierują i wzmacniają światło, aby wytworzyć tak intensywne wiązki laserowe.

Trzy najpopularniejsze lasery stosowane w sprzęcie do spawania laserowego to lasery gazowe, lasery na ciele stałym i lasery światłowodowe.

Włókna optyczne zwykle używa się do dostarczania wiązki laserowej do sprzętu do spawania laserowego. Istnieją dwa rodzaje zgrzewarek do włókien: zgrzewarki jednowłóknowe i zgrzewarki wielowłóknowe. W wielu spawarkach światłowodowych do każdego włókna jest przymocowany laser, a siła lasera rośnie wraz ze wzrostem liczby włókien.

Soczewkę kolimatora często się używa w połączeniu z soczewką skupiającą, aby skoncentrować wiązkę w miejscu, zanim opuści urządzenie.

W przypadku spawania laserowego możliwe są cztery główne połączenia spawane:

  • Spawanie doczołowe
  • Spoina zakładkowa wypełniacza
  • Spoina zakładkowa
  • Krawędź zgrzewu kołnierzowego

Główne części do spawania laserowego

Główne części lub urządzenia do spawania wiązką laserową to:

  • Maszyna laserowa: Jest to maszyna, która służy do produkcji lasera do spawania.
  • Aby wytworzyć wiązkę laserową, do urządzenia laserowego dostarczane jest źródło wysokiego napięcia.
  • CAM to skrót od Computer Aided Manufacturing i odnosi się do techniki spawania za pomocą sprzętu laserowego połączonego z komputerami. CAM odpowiada za wszystkie czynności kontrolne w całym procesie spawania laserowego. Znacznie przyspiesza proces spawania.
  • CAD oznacza projektowanie wspomagane komputerowo. Służy do planowania prac spawalniczych. Komputery wykorzystuje się do projektowania przedmiotu obrabianego, a także sposobu spawania.
  • Gaz osłonowy: Gaz osłonowy można używać podczas procesu spawania, aby zapobiec utlenianiu.
Spawanie laserowe maszynowe
Zdjęcie przez: laserstar.pl

Rodzaje spawania laserowego

Istnieją dwa rodzaje spawania laserowego: spawanie przez przewodzenie ciepła i spawanie z głębokim wtopieniem (Keyhole welding)

Spawanie przez przewodzenie ciepła

Powierzchnię metalu podgrzewa się do temperatury powyżej temperatury topnienia metalu, ale nie do punktu, w którym odparowuje. Tą metodę wykorzystuje się do spoin, które nie wymagają dużej wytrzymałości.

Spawanie na gorąco ma tę zaletę, że daje bardzo gładką i atrakcyjną spoinę końcową. Do spawania kondukcyjnego stosuje się laser małej mocy w zakresie 500W.

Spawanie z głębokim wtopieniem

W tym procesie wiązka lasera nagrzewa metal w taki sposób, że powierzchnia styku odparowuje, głęboko wbijając się w metal. Generuje to dziurkę, w której powstaje stan podobny do plazmy o temperaturze znacznie powyżej 10 000 K.

Procedura ta wymagała użycia laserów dużej mocy o gęstości mocy powyżej 105 W/mm2.

Spawanie laserowe z innymi procesami spawania

Hybrydowe spawanie laserowe łukowe ma miejsce, gdy spawanie laserowe połączy się ze spawaniem łukowym w celu wytworzenia czegoś nowego. Każda metoda spawania łukowego, taka jak metoda MIG, TIG lub SAW, łączy się z głębokim spawaniem laserowym w hybrydowym spawaniu laserowym.

Efektem końcowym jest spoina łącząca zalety spawania laserowego i łukowego.

Ze względu na spawanie laserowe uzyskana spoina będzie miała głębokie penetracje i większą tolerancję na dopasowanie złącza. Pękanie i porowatość wewnętrzna to dwa kolejne niepożądane efekty, które ulegają zmniejszeniu.

Co można spawać laserowo?

Stal węglowa

Spawarka laserowa może z powodzeniem spawać stal węglową, a jakość spoiny zależy od obecności zanieczyszczeń. Aby zapewnić jakość połączenia podczas łączenia stali o różnej zawartości węgla, palnik spawalniczy powinien być lekko skierowany w kierunku materiału o niskiej zawartości węgla. Ze względu na dużą prędkość nagrzewania i chłodzenia spawarek laserowych, gdy zawartość węgla rośnie, zwiększa się również podatność na pęknięcia spawalnicze.

Stal nierdzewna

Dzięki niskiej strefie wpływu ciepła spawarki laserowej i prędkości spawania, zjawisko przegrzania stali nierdzewnej i wysoki współczynnik rozszerzalności liniowej redukują się, a spoina jest wolna od niedoskonałości, takich jak pory i wtrącenia.

Ponieważ stal nierdzewna ma niższą przewodność cieplną niż stal węglowa, wyższy wskaźnik absorpcji energii i wyższą wydajność topienia, łatwiej jest produkować wąskie spoiny o głębokiej penetracji ze stali nierdzewnej. Spawarka laserowa o niskiej mocy może wytworzyć dobrze uformowane połączenie z nieskazitelnym i atrakcyjnym szwem spawalniczym podczas spawania cienkich blach. Dlatego też spawanie stali nierdzewnej laserowo jest możliwe, oraz często wykorzystywane jest w pracy.

Plastik

Prawie wszystkie termoplasty i elastomery termoplastyczne, w tym typowe materiały takie jak PP, PS, PC, ABS, poliamid, PMMA, polioksymetylen, PET i PBT, można łączyć za pomocą technologii spawania plastiku za pomocą lasera.

Ze względu na niską przepuszczalność lasera, inne techniczne tworzywa sztuczne, takie jak polisiarczek fenylenu (PPS) i polimery ciekłokrystaliczne, nie mogą być bezpośrednio spawane przy użyciu technologii laserowej. W celu zwiększenia zdolności materiału dolnego do absorbowania energii i umożliwienia spełnienia specyfikacji spawania z transmisją laserową, do materiału dodaje się zazwyczaj sadzę.

Miedź i stop miedzi

Miedź i stopy miedzi mogą mieć problemy z infuzją i niewystarczającą penetracją podczas spawania. Stąd techniki wstępnego podgrzewania powinny być stosowane w połączeniu ze źródłem ciepła, które ma dużą moc i skoncentrowaną energię.

Łatwo jest wytworzyć znaczne odkształcenia po spawaniu, gdy grubość przedmiotu obrabianego jest cienka lub sztywność konstrukcji jest niska, a także gdy nie ma zabezpieczeń przed odkształceniem, a gdy złącze spawalnicze podlega znacznym sztywnym ograniczeniom, naprężenia spawalnicze prawdopodobnie wystąpią.

Aluminium i stop aluminium

Wysoka refleksyjność aluminium i jego stopów wobec 10,8 m wiązki lasera CO2 jest główną przeszkodą w spawaniu laserowym. Aluminium ma dużą gęstość wolnych elektronów, co czyni je świetnym reflektorem światła i dobrym przewodnikiem ciepła i elektryczności. Spawanie aluminium w głębokiej penetracji musi rozpocząć się z mniej niż 10% energii wejściowej, gdy początkowy współczynnik odbicia powierzchni jest większy niż 90%. Dlatego też wymagana jest wysoka moc wejściowa, aby zagwarantować wymaganą gęstość mocy na początku spawania. W rezultacie zaczynają pojawiać się drobne otwory.

Jakie są zalety i wady spawania laserowego z połyskiem?

Podczas spawania należy stosować temperaturę nieco wyższą niż temperatura topnienia materiału. W przypadku tego typu zgrzewania ograniczeniem jest temperatura rozmrażania materiału.

Nie możesz spawać każdego materiału w każdym procesie spawania. Tylko przy spawaniu elektrycznym można regulować intensywność ciepła punktowego i ilość ciepła, jakie może emitować na swoich katodach. Spawanie laserowe to wyjątkowy proces. Jeśli chodzi o temperaturę stosowaną w spawaniu, charakteryzuje się największą elastycznością ze wszystkich technik.

Poniższa lista zawiera zestawienie kilku powszechnie stosowanych materiałów oraz ich punktów topnienia. Pokazuje również, które metale można spawać laserowo.

  • Zakres temperatur: 150°C do 350°C dla tworzyw sztucznych.
  • 600 stopni Celsjusza dla aluminium
  • Szkło: ma zakres temperatur od 600 do 800 stopni Celsjusza.
  • Miedź: Jej temperatura topnienia wynosi 1085 stopni Celsjusza.
  • 1400 stopni Celsjusza dla stali

Gdzie używa się spawanie laserowe?

Spawanie laserowe staje się coraz bardziej popularne w różnych sektorach. Oto niektóre z najbardziej rozpowszechnionych zastosowań spawania laserowego:

  1. Konstruowanie narzędzi
  2. Branża motoryzacyjna
  3. Budowanie ze stali
  4. Okrętownictwo

Spawanie laserowe powszechnie stosuje się w narzędziach produkcyjnych ze względu na swoją precyzję. W rezultacie konkuruje z procesem erozji. Zastosowanie subtraktywnego lub addytywnego spawania laserowego do tworzenia precyzyjnych urządzeń do wykrawania, odlewania i prasowania jest odpowiedzią na problemy przemysłu.

Spawanie laserowe stosuje się w przemyśle samochodowym, ponieważ nie wymaga użycia żadnych narzędzi. W przeciwieństwie do spawania wiązką elektronów laser nie wymaga regularnego wycierania ani wymiany głowicy.

Konstrukcje stalowe nabierają zupełnie nowych wymiarów pod względem precyzji i produktywności dzięki spawaniu laserowemu. Szybka obróbka arkuszy o dużej wytrzymałości jest teraz możliwa dzięki spawaniu wiązką laserową.

To samo dotyczy również produkcji statków: tutaj chodzi o dokładność – wyprodukowane części, takie jak stery, śruby napędowe i sterowanie, osiągają pożądaną tolerancję poprzez spawanie laserowe. Dzięki temu statki osiągają większe prędkości i zużywają mniej paliwa.

Dlaczego do spawania używamy laserów?

Spawanie z głębokim wtopieniem może zostać utworzone przez wysoce skoncentrowane źródło ciepła lasera. W rezultacie spawanie laserowe wytwarza minimalne ilości metali spawalniczych. Przekazuje tylko niewielką ilość ciepła do otaczającego materiału, w wyniku czego próbki odkształcają się mniej niż te spawane innymi metodami.

Perfecting Laser Welded Hermetic Seals
Zdjęcie przez: accumet.com

Korzyści spawania laserowego

  • Jest bardzo dokładne.
  • Spawanie laserowe zapewnia wysoki poziom precyzji i kontroli. Oznacza to, że można nim łączyć nawet najdrobniejsze elementy bez powodowania uszkodzeń.
  • Może wytwarzać zawiłe połączenia
  • Spawanie laserowe umożliwia spawanie różnych materiałów. Możesz także spawać obszary, do których trudno byłoby dotrzeć przy użyciu bardziej tradycyjnych metod spawania.
  • Zużywa mniej energii.
  • Ponieważ zużywa mniej ciepła, zmniejsza wykrzywienie części. Dlatego jest to najbardziej preferowana metoda, jeśli chodzi o produkcję luksusowych towarów, takich jak biżuteria na zamówienie.
  • Tworzy szwy spawalnicze, które są spójne i powtarzalne.
  • W porównaniu do innych tradycyjnych metod spawania jest to szybsza metoda. Jest również bardziej elastyczny. Laser można również użyć do wiercenia i cięcia. Jego powtarzalność i adaptacyjność pomagają firmom w znacznym obniżeniu kosztów jednostkowych.
  • Wytwarza mocne szwy spawalnicze
  • Lasery wytwarzają wysokiej jakości, wytrzymałe szwy spawalnicze, dlatego producenci je lubią.

Wady spawania laserowego

  • Sprzęt do spawania wiązką laserową jest kosztowny, a początkowa inwestycja jest bardzo znacząca.
  • Maksymalna grubość spawania to 19 mm.
  • Wydajność konwersji energii podczas spawania wiązką lasera jest niska. Zazwyczaj jest to mniej niż 10%.
  • Spawanie wiązką laserową wymaga zaangażowania wysoko wyspecjalizowanej kadry.

Często zadawane pytania dotyczące spawania laserowego

Na czym polega spawanie laserowe?

Proces spawania laserowego wykorzystuje wyłącznie przewodnictwo cieplne w celu dostarczenia energii do przedmiotu obrabianego. Ten proces zwykle wymaga głębokości spawania mniejszej niż 2 mm. Blask lasera rozmraża materiały, które łączysz wzdłuż skrzyżowania. Stopy następnie spływają jeden na drugi, a powstały stop trwale łączy elementy.

Czy spawanie laserowe jest trwałe?

Dzięki spawaniu laserowemu uzyskasz dokładniejsze spoiny i lepsze wykończenie. Spawy są również dość mocne. Dzięki temu ta metoda produkcji jest idealna dla drobnych komponentów. Można go również użyć w miejscach, do których dostęp jest ograniczony.

Czy można laserowo spawać aluminium?

Tak, aluminium często łączy za pomocą spawania laserowego. Zapewnia to czysty i trwały spaw, który uzyskamy bardzo szybko i łatwo.

Czy można stosować wypełniacz w spawaniu laserowym?

Spawanie laserowe może być wykonane z materiałem wypełniającym. Można to osiągnąć za pomocą drutu lub proszku. Niemniej jednak drut jest używany w większości przemysłowych zastosowań spawania laserowego.

Gdzie najczęściej stosuje się laserowe spawanie laserowe?

Spawanie laserowe tworzy mocny spaw poprzez koncentrację ciepła i formowanie go w szybkim tempie. Sektor motoryzacyjny jest głównym użytkownikiem jego technik i zastosowań. Jeśli spawasz laserowo elementy pojazdu, takie jak drzwi, dachy lub zespoły filtrów, tutaj lasery zwiększają wydajność przy minimalnych kosztach.

Wniosek

Spawanie wiązką laserową jest stosowane do spoin o wysokiej precyzji. Ponieważ nie stosuje się elektrody, ostateczna spoina będzie lekka, ale mocna. Chociaż początkowy nakład jest wysoki, jakość i jakość spawania laserowego są trudne do podwojenia.

Spawanie laserowe ma przed sobą świetlaną przyszłość, ponieważ lasery stają się coraz mocniejsze i bardziej energooszczędne.

O autorach

Author Image

Artur Kowalski

Jestem certyfikowanym ekspertem ds. spawania i twórcą DobrySpawacz.com, bloga, na którym dzielę się ponad 30-letnim doświadczeniem w branży spawalniczej. Skontaktuj się ze mną pod adresem [email protected] w razie potrzeby pomocy.