Laserkeevitus on lasertöötlustehnoloogia rakendamise üks olulisi aspekte, aga ka 21. sajandi kõige pilkupüüdvam ja paljutõotavam keevitustehnoloogia. Võrreldes traditsiooniliste keevitusmeetoditega on laserkeevitamisel palju eeliseid, kõrgem keevituse kvaliteet ja kiirem efektiivsus. Praegu on laserkeevitustehnoloogiat laialdaselt kasutatud tootmises, pulbermetallurgias, autotööstuses, elektroonikatööstuses, biomeditsiinis ja muudes valdkondades.
Keevitusbasseini moodustumise mehhanismi kohaselt on laserkeevitamisel kaks peamist keevitusmehhanismi: soojusjuhtivkeevitus ja sügava läbitungimisega (väikeste aukudega) keevitamine. Soojusjuhtivkeevituse käigus tekkiv soojus hajub toorikule soojusülekande teel, nii et keevisõmbluse pind sulab, aurustumist põhimõtteliselt ei toimu, mida sageli kasutatakse õhukeseinaliste komponentide aeglase keevitamise korral. Sügav sulatuskeevitus aurustab materjali ja moodustab suure hulga plasmat. Suure kuumuse tõttu tekivad sulabasseini esiosas augud. Sügav läbitungimisega keevitamine võimaldab toorikut põhjalikult keevitada ning sisendenergia on suur ja keevituskiirus kiire, mis on kõige laialdasemalt kasutatav laserkeevitusrežiim.
Laserkeevituse kvaliteeti mõjutavad paljud protsessiparameetrid, näiteks võimsustihedus, laserimpulsi lainekuju, defokuseerimine, keevituskiirus ja abigaas.
1. Laseri võimsustihedus Võimsustihedus on lasertöötluses üks olulisemaid parameetreid. Suurema võimsustiheduse korral saab pinnakihi mikrosekundilise ajaga keemistemperatuurini kuumutada, tekitades suure hulga aurustumist. Seetõttu on suur võimsustihedus väga kasulik materjali eemaldamise töötlemisel, näiteks stantsimisel, lõikamisel ja graveerimisel. Madala võimsustiheduse korral kulub pinnatemperatuuril keemistemperatuurini jõudmiseks mitu millisekundit ja enne pinnakihi aurustumist jõuab alumine kiht sulamistemperatuurini, mis hõlbustab hea sulatuskeevituse teket. Seetõttu on soojusjuhtivusega laserkeevituse võimsustiheduse vahemik 104–106 W/cm2.
2. Laserimpulsi lainekuju
Laseri impulsi lainekuju ei ole oluline parameeter mitte ainult materjali eemaldamise ja sulamise eristamiseks, vaid ka võtmeparameeter töötlemisseadmete mahu ja maksumuse määramiseks. Kui suure intensiivsusega laserkiir suunatakse materjali pinnale, peegeldub ja kaob materjali pinnalt 60–90% laserenergiast, eriti kulla, hõbeda, vase, alumiiniumi, titaani ja muude materjalide puhul on peegeldus tugev ja soojusülekanne kiire. Metalli peegeldusvõime muutub laserimpulsi signaali ajal aja jooksul. Kui materjali pinnatemperatuur tõuseb sulamistemperatuurini, väheneb peegelduvus kiiresti ja kui pind on sulanud, stabiliseerub peegeldusvõime teatud väärtusel.
3. Impulsi laius Impulsi laius on impulsslaserkeevituse oluline parameeter. Impulsi laiust määravad läbitungimissügavus ja kuummõjutsoon. Mida pikem on impulsi laius, seda suurem on kuummõjutsoon ja läbitungimissügavus suureneb impulsi laiuse poole võimsuse võrra. Impulsi laiuse suurendamine vähendab aga tippvõimsust, seega kasutatakse impulsi laiuse suurendamist üldiselt soojusjuhtivusega keevitamisel, mille tulemuseks on lai ja madal keevisõmbluse suurus, mis sobib eriti hästi õhukeste ja paksude plaatide kattega keevitamiseks. Madalam tippvõimsus toob aga kaasa liigse soojuse sisestamise ja igal materjalil on optimaalne impulsi laius, mis maksimeerib läbitungimissügavust.
4, defokuseeritud laserkeevitus nõuab tavaliselt teatud määral defokuseerimist, kuna laserkiire fookuspunkti keskel olev võimsustihedus on liiga kõrge ja kergesti aukudesse aurustuv. Võimsustiheduse jaotus on laserkiire fookusest eemal igas tasapinnas suhteliselt ühtlane. Defokuseerimiseks on kaks meetodit: positiivne defokuseerimine ja negatiivne defokuseerimine. Kui fokaaltasand asub töödeldava detaili kohal, on tegemist positiivse defokuseerimisega; vastasel juhul on tegemist negatiivse defokuseerimisega. Geomeetrilise optika teooria kohaselt on positiivse ja negatiivse defokuseerimise tasapinna ning keevitustasandi vaheline kaugus võrdne, seega võimsustihedus vastaval tasapinnal ligikaudu sama, kuid tegelikult saadud keevisvanni kuju on erinev. Negatiivse defokuseerimise korral on võimalik saavutada suurem läbitungivus, mis on seotud sulavanni moodustumise protsessiga.
5, keevituskiirus Keevituskiirus määrab keevituspinna kvaliteedi, läbitungivuse, kuummõjutsooni jne. Keevituskiirus mõjutab soojusenergia tarbimist ajaühikus. Kui keevituskiirus on liiga aeglane, on soojusenergia tarbimine liiga suur, mille tulemuseks on tooriku läbipõlemine. Kui keevituskiirus on liiga suur, on soojusenergia tarbimine liiga väike, mille tulemuseks on tooriku läbikeevituse läbipaistmatus. Keevituskiiruse vähendamist kasutatakse tavaliselt läbitungivuse parandamiseks.
6, abipuhutav kaitsegaas Abipuhutav kaitsegaas on suure võimsusega laserkeevituse oluline protsess. Ühelt poolt on see vajalik metallmaterjalide pritsimise ja fokuseeriva peegli saastumise vältimiseks; teiselt poolt on see vajalik keevitusprotsessis tekkiva plasma liigse fokuseerimise ja laserkiire materjali pinnale jõudmise vältimiseks. Laserkeevituse protsessis kasutatakse sulavanni kaitsmiseks sageli heeliumi, argooni, lämmastikku ja muid gaase, et kaitsta keevitustehnikas töödeldavat detaili oksüdeerumise eest. Kaitsegaasi tüüp, õhuvoolu suurus ja puhumisnurk mõjutavad keevitustulemust oluliselt. Erinevad puhumismeetodid mõjutavad keevituse kvaliteeti samuti teatud määral.
Heelium ei ioniseeru kergesti (sellel on kõrge ioniseeriv energia), mis võimaldab laseril sujuvalt läbi minna ja kiireenergial takistamatult töödeldava pinnani jõuda. See on laserkeevitamisel kasutatav kõige tõhusam kaitsegaas, kuid hind on suhteliselt kõrge. Argoon on odavam ja tihedam, seega on sellel parem kaitse. Kõrge temperatuuriga metallplasma ioniseerib seda aga kergesti, varjates seeläbi osa kiirest töödeldavast detailist, vähendades keevitamise efektiivset laservõimsust, aga kahjustades ka keevituskiirust ja läbitungimist. Argooniga kaitstud keevisõmbluste pinnad on siledamad kui heeliumiga kaitstud pinnad. Lämmastik on kaitsegaasina kõige odavam, kuid see ei sobi teatud tüüpi roostevaba terase keevitamiseks, peamiselt metallurgiliste probleemide, näiteks neeldumise tõttu, mis mõnikord tekitab poore ülekatte tsoonis.
Uue keevitustehnoloogiana on laserkeevitamisel omadused nagu kõrge energiatihedus, suur kiirus, suur täpsus, sügav läbitungimine ja tugev kohanemisvõime. Selle rakendusala on üha laialdasem, mis mitte ainult ei paranda tootmise efektiivsust, vaid ka keevituse kvaliteeti. Laserkeevitustehnoloogia mängib kindlasti üha olulisemat rolli materjalide töötlemise valdkonnas.
Postituse aeg: 28. märts 2023
