Lasersko zavarivanje je jedan od važnih aspekata primjene tehnologije laserske obrade, ali i najprivlačnija i najperspektivnija tehnologija zavarivanja u 21. vijeku. U poređenju sa tradicionalnim metodama zavarivanja, lasersko zavarivanje ima mnoge prednosti, veći kvalitet zavarivanja i bržu efikasnost. Trenutno se tehnologija laserskog zavarivanja široko koristi u proizvodnji, metalurgiji praha, automobilskoj industriji, elektronskoj industriji, biomedicini i drugim oblastima.
Prema mehanizmu formiranja zavarivačkog bazena, lasersko zavarivanje ima dva osnovna mehanizma zavarivanja: zavarivanje provođenjem toplote i zavarivanje dubokom penetracijom (male rupe). Toplota generisana zavarivanjem provođenjem toplote se difuzuje na radni komad putem prenosa toplote, tako da se površina zavara topi, u osnovi bez fenomena isparavanja, što se često koristi pri zavarivanju tankozidnih komponenti spore brzine. Duboko topljenje zavaruje isparavanjem materijala i formira veliku količinu plazme. Zbog velike toplote, na prednjem kraju rastopljenog bazena će se pojaviti rupe. Duboko penetracijom zavarivanje može temeljno zavariti radni komad, a ulazna energija je velika, brzina zavarivanja je velika, što je najčešće korišten način laserskog zavarivanja.
Postoji mnogo procesnih parametara koji utiču na kvalitet laserskog zavarivanja, kao što su gustina snage, oblik talasa laserskog impulsa, defokusiranje, brzina zavarivanja i pomoćni gas za uduvavanje.
1. Gustoća snage lasera Gustoća snage jedan je od najvažnijih parametara u laserskoj obradi. S većom gustoćom snage, površinski sloj se može zagrijati do tačke ključanja u roku od mikrosekundi, generirajući veliku količinu isparavanja. Stoga je visoka gustoća snage vrlo povoljna za obradu uklanjanja materijala, kao što su probijanje, rezanje i graviranje. Kod niske gustoće snage, potrebno je nekoliko milisekundi da temperatura površine dostigne tačku ključanja, a prije nego što površinski sloj ispari, donji sloj dostigne tačku topljenja, što olakšava formiranje dobrog zavarivanja topljenjem. Stoga je kod laserskog zavarivanja provođenjem topline raspon gustoće snage 104-106 W/cm2.
2. Oblik laserskog impulsa
Oblik laserskog impulsa nije samo važan parametar za razlikovanje uklanjanja materijala od topljenja materijala, već i ključni parametar za određivanje količine i cijene opreme za obradu. Kada laserski snop visokog intenziteta usmjeri na površinu materijala, površina materijala će imati 60 ~ 90% refleksije i gubitka laserske energije, posebno zlato, srebro, bakar, aluminijum, titanijum i drugi materijali koji snažno reflektuju i brzo prenose toplotu. Refleksija metala varira s vremenom tokom laserskog impulsnog signala. Kada se temperatura površine materijala podigne na tačku topljenja, refleksija brzo opada, a kada je površina u stanju topljenja, refleksija se stabilizuje na određenoj vrijednosti.
3. Širina impulsa Širina impulsa je važan parametar pulsirajućeg laserskog zavarivanja. Širina impulsa je određena dubinom prodiranja i zonom utjecaja topline. Što je širina impulsa duža, to je veća zona utjecaja topline, a dubina prodiranja se povećava sa 1/2 snage širine impulsa. Međutim, povećanje širine impulsa smanjit će vršnu snagu, pa se povećanje širine impulsa općenito koristi za zavarivanje kondukcijom topline, što rezultira širokim i plitkim zavarom, posebno pogodnim za preklapajuće zavarivanje tankih i debelih ploča. Međutim, niža vršna snaga rezultira prekomjernim unosom topline, a svaki materijal ima optimalnu širinu impulsa koja maksimizira prodiranje.
4, defokusiranje laserskog zavarivanja obično zahtijeva određenu količinu defokusiranja, jer je gustoća snage laserskog fokusa u središtu tačke previsoka, lako isparava u rupe. Raspodjela gustoće snage je relativno ujednačena u svakoj ravni dalje od laserskog fokusa. Postoje dvije metode defokusiranja: pozitivno defokusiranje i negativno defokusiranje. Ako se žarišna ravan nalazi iznad obratka, to je pozitivno defokusiranje; u suprotnom, to je negativno defokusiranje. Prema teoriji geometrijske optike, kada je udaljenost između pozitivne i negativne ravni defokusiranja i ravni zavarivanja jednaka, gustoća snage na odgovarajućoj ravni je približno ista, ali je stvarni dobijeni oblik zavarivačke kupke drugačiji. U slučaju negativnog defokusiranja, može se postići veća penetracija, što je povezano s procesom formiranja rastopljene kupke.
5, brzina zavarivanja Brzina zavarivanja određuje kvalitet površine zavarivanja, prodiranje, zonu utjecaja topline itd. Brzina zavarivanja utjecat će na unos topline po jedinici vremena. Ako je brzina zavarivanja premala, unos topline je prevelik, što rezultira progorijevanjem obratka. Ako je brzina zavarivanja prevelika, unos topline je premalen, što rezultira neprozirnim zavarivanjem obratka. Smanjenje brzine zavarivanja obično se koristi za poboljšanje prodiranja.
6, pomoćno uduvavanje zaštitnog gasa Pomoćno uduvavanje zaštitnog gasa je bitan proces u laserskom zavarivanju velike snage. S jedne strane, sprečava prskanje metalnih materijala i zagađenje fokusirajućeg ogledala; s druge strane, sprečava previše fokusiranja plazme koja se stvara u procesu zavarivanja i sprečava da laser dosegne površinu materijala. U procesu laserskog zavarivanja, helij, argon, azot i drugi gasovi se često koriste za zaštitu rastopljenog bazena, tako da je radni komad zaštićen od oksidacije u tehnici zavarivanja. Faktori kao što su vrsta zaštitnog gasa, veličina protoka vazduha i ugao uduvavanja imaju veliki uticaj na rezultat zavarivanja. Različite metode uduvavanja takođe imaju određeni uticaj na kvalitet zavarivanja.
Helijum se ne jonizuje lako (ima visoku jonizujuću energiju), što omogućava laseru nesmetan prolaz i nesmetan dolazak energije snopa do površine radnog komada. Ovo je najefikasniji zaštitni gas koji se koristi u laserskom zavarivanju, ali je cijena relativno visoka. Argon je jeftiniji i gušći, pa ima bolju zaštitu. Međutim, lako se jonizuje visokotemperaturnom metalnom plazmom, čime se dio snopa štiti od radnog komada, smanjuje efektivna snaga lasera zavarivanja, ali i oštećuje brzina zavarivanja i prodiranje. Površine zavara zaštićene argonom su glatkije od onih zaštićenih helijumom. Dušik je najjeftiniji kao zaštitni gas, ali nije pogodan za neke vrste zavarivanja nehrđajućeg čelika, uglavnom zbog metalurških problema, kao što je apsorpcija, koja ponekad stvara pore u zoni preklapanja.
Kao nova tehnologija zavarivanja, lasersko zavarivanje ima karakteristike visoke gustoće energije, velike brzine, visoke preciznosti, dubokog prodiranja i velike prilagodljivosti. Njegova primjena je sve šira i šira, što ne samo da može poboljšati efikasnost proizvodnje, već i poboljšati kvalitet zavarivanja. Tehnologija laserskog zavarivanja će sigurno igrati važniju ulogu u oblasti obrade materijala.
Vrijeme objave: 28. mart 2023.
