Laserové svařování je jedním z důležitých aspektů aplikace laserové technologie zpracování, ale také nejatraktivnější a nejslibnější svařovací technologií 21. století. Ve srovnání s tradičními metodami svařování má laserové svařování mnoho výhod, vyšší kvalitu svařování a rychlejší účinnost. V současné době se technologie laserového svařování široce používá ve výrobě, práškové metalurgii, automobilovém průmyslu, elektronickém průmyslu, biomedicíně a dalších oblastech.
Podle mechanismu tvorby tavné lázně má laserové svařování dva základní mechanismy: tepelné vedení a svařování hlubokým průvarem (s malými otvory). Teplo generované tepelným vedením se rozptyluje k obrobku přenosem tepla, takže povrch svaru se roztaví, v podstatě nedochází k odpařování, což se často používá při svařování nízkorychlostních tenkostěnných součástí. Hluboké tavné svařování odpařuje materiál a vytváří velké množství plazmy. V důsledku velkého tepla se v přední části roztavené lázně vytvoří otvory. Hluboké průvarové svařování dokáže obrobek důkladně svařit a vstupní energie je velká, rychlost svařování je vysoká, což je nejrozšířenější způsob laserového svařování.
Kvalitu laserového svařování ovlivňuje mnoho procesních parametrů, jako je hustota výkonu, tvar vlny laserového pulzu, rozostření, rychlost svařování a pomocný vháněný plyn.
1. Hustota výkonu laseru Hustota výkonu je jedním z nejdůležitějších parametrů při laserovém obrábění. Při vyšší hustotě výkonu lze povrchovou vrstvu zahřát k bodu varu v řádu mikrosekund, což vede k velkému množství odpařování. Vysoká hustota výkonu je proto velmi výhodná pro obrábění materiálu, jako je děrování, řezání a gravírování. Při nízké hustotě výkonu trvá několik milisekund, než povrchová teplota dosáhne bodu varu, a než se povrchová vrstva odpaří, spodní vrstva dosáhne bodu tání, což umožňuje snadné vytvoření dobrého tavného svařování. Proto je při tepelně vodivém laserovém svařování rozsah hustoty výkonu 104-106 W/cm2.
2. Průběh laserového pulzu
Tvar vlny laserového pulzu není jen důležitým parametrem pro rozlišení mezi úběrem materiálu a tavením materiálu, ale také klíčovým parametrem pro určení objemu a nákladů na procesní zařízení. Když laserový paprsek s vysokou intenzitou dopadne na povrch materiálu, dojde k odrazu a ztrátě 60 ~ 90 % laserové energie, zejména u zlata, stříbra, mědi, hliníku, titanu a dalších materiálů, což má silný odraz a rychlý přenos tepla. Odrazivost kovu se během laserového pulzního signálu mění s časem. Když povrchová teplota materiálu dosáhne bodu tání, odrazivost rychle klesá a když je povrch v taveninovém stavu, odrazivost se stabilizuje na určité hodnotě.
3. Šířka pulzu Šířka pulzu je důležitým parametrem pulzního laserového svařování. Šířka pulzu byla určena hloubkou průvaru a tepelně ovlivněnou zónou. Čím delší je šířka pulzu, tím větší je tepelně ovlivněná zóna a hloubka průvaru se zvyšuje s polovičním výkonem šířky pulzu. Zvýšení šířky pulzu však snižuje špičkový výkon, takže se zvýšení šířky pulzu obecně používá pro tepelné vedení, což má za následek široký a mělký svar, vhodný zejména pro přeplátované svařování tenkých a tlustých plechů. Nižší špičkový výkon však vede k nadměrnému přívodu tepla a každý materiál má optimální šířku pulzu, která maximalizuje průvar.
4. Svařování laserem s rozostřením obvykle vyžaduje určité rozostření, protože hustota výkonu laseru ve středu bodu je příliš vysoká a snadno se odpaří do otvorů. Rozložení hustoty výkonu je v každé rovině mimo laserové ohnisko relativně rovnoměrné. Existují dvě metody rozostření: pozitivní a negativní. Pokud se ohnisková rovina nachází nad obrobkem, jedná se o pozitivní rozostření, v opačném případě o negativní rozostření. Podle teorie geometrické optiky, pokud je vzdálenost mezi kladnou a zápornou rovinou rozostření a rovinou svařování stejná, je hustota výkonu v odpovídající rovině přibližně stejná, ale skutečný tvar svarové lázně je odlišný. V případě negativního rozostření lze dosáhnout většího provaření, což souvisí s procesem tvorby roztavené lázně.
5, rychlost svařování Rychlost svařování určuje kvalitu svařovaného povrchu, průvar, tepelně ovlivněnou zónu atd. Rychlost svařování ovlivňuje příkon tepla za jednotku času. Pokud je rychlost svařování příliš pomalá, příkon tepla je příliš velký, což vede k propálení obrobku. Pokud je rychlost svařování příliš vysoká, příkon tepla je příliš malý, což vede k neprůhlednému svařování obrobku. Snížení rychlosti svařování se obvykle používá ke zlepšení průvaru.
6, pomocné vhánění ochranného plynu Pomocné vhánění ochranného plynu je nezbytným procesem při vysokovýkonném laserovém svařování. Na jedné straně zabraňuje rozprašování kovových materiálů a znečištění zaostřovacího zrcadla; na druhé straně zabraňuje přílišnému zaostřování plazmy generované při svařování a zabraňuje dosažení laseru na povrchu materiálu. Při laserovém svařování se často používají hélium, argon, dusík a další plyny k ochraně roztavené lázně, aby byl obrobek chráněn před oxidací ve svařovací technice. Faktory, jako je typ ochranného plynu, velikost proudu vzduchu a úhel vhánění, mají velký vliv na výsledek svařování. Různé metody vhánění mají také určitý vliv na kvalitu svařování.
Hélium se snadno neionizuje (má vysokou ionizační energii), což umožňuje laseru plynulý průchod a energii paprsku dosáhnout povrchu obrobku bez překážek. Jedná se o nejúčinnější ochranný plyn používaný při laserovém svařování, ale jeho cena je relativně vysoká. Argon je levnější a hustší, takže má lepší ochranu. Snadno se však ionizuje vysokoteplotní kovovou plazmou, čímž stíní část paprsku před obrobkem, snižuje efektivní výkon laseru při svařování, ale také poškozuje rychlost svařování a průvar. Povrchy svarů chráněné argonem jsou hladší než povrchy chráněné heliem. Dusík je jako ochranný plyn nejlevnější, ale není vhodný pro některé typy svařování nerezové oceli, zejména kvůli metalurgickým problémům, jako je absorpce, která někdy vytváří póry v oblasti přeplátování.
Jako nová technologie svařování se laserové svařování vyznačuje vysokou hustotou energie, vysokou rychlostí, vysokou přesností, hlubokým průnikem a vysokou přizpůsobivostí. Jeho použití je stále rozsáhlejší, což může nejen zlepšit efektivitu výroby, ale také zlepšit kvalitu svařování. Technologie laserového svařování bude jistě hrát stále důležitější roli v oblasti zpracování materiálů.
Čas zveřejnění: 28. března 2023
