Laserhitsaus on yksi laserkäsittelytekniikan sovellusten tärkeimmistä näkökohdista, mutta myös 2000-luvun silmiinpistävin ja lupaavin hitsaustekniikka. Perinteisiin hitsausmenetelmiin verrattuna laserhitsauksella on monia etuja, korkeampi hitsauksen laatu ja nopeampi tehokkuus. Tällä hetkellä laserhitsaustekniikkaa on käytetty laajalti valmistuksessa, jauhemetallurgiassa, autoteollisuudessa, elektroniikkateollisuudessa, biolääketieteessä ja muilla aloilla.
Hitsaussulan muodostumismekanismin mukaan laserhitsauksessa on kaksi perushitsausmekanismia: lämmönjohtavuushitsaus ja syvätunkeutumishitsaus (pienireikäinen hitsaus). Lämmönjohtavuushitsauksessa syntyvä lämpö diffundoituu työkappaleeseen lämmönsiirron kautta, jolloin hitsauspinta sulaa, eikä höyrystymisilmiötä tapahdu. Tätä käytetään usein ohutseinäisten komponenttien hitsauksessa hitsattaessa hitsausnopeutta hitaasti. Syväfuusiohitsaus höyrystää materiaalin ja muodostaa suuren määrän plasmaa. Suuren lämmön vuoksi sulan sulan etuosaan muodostuu reikiä. Syväntunkeutumishitsaus voi hitsata työkappaleen perusteellisesti, ja syöttöenergia on suuri, hitsausnopeus on nopea, mikä on yleisimmin käytetty laserhitsaustila.
Laserhitsauksen laatuun vaikuttaa useita prosessiparametreja, kuten tehotiheys, laserpulssin aaltomuoto, epätarkkuus, hitsausnopeus ja apupuhalluskaasu.
1. Laserhitsauksen tehotiheys Tehotiheys on yksi kriittisimmistä parametreista laserkäsittelyssä. Suuremmalla tehotiheydellä pintakerros voidaan lämmittää kiehumispisteeseen mikrosekunnin aikavälillä, mikä tuottaa suuren määrän höyrystymistä. Siksi suuri tehotiheys on erittäin edullinen materiaalinpoistoprosesseissa, kuten lävistyksessä, leikkauksessa ja kaiverruksessa. Pienellä tehotiheydellä pintalämpötilan saavuttaminen kiehumispisteeseen kestää useita millisekunteja, ja ennen pintakerroksen höyrystymistä pohjakerros saavuttaa sulamispisteen, mikä helpottaa hyvän sulahitsauksen muodostamista. Siksi lämmönjohtavassa laserhitsauksessa tehotiheysalue on 104–106 W/cm2.
2. Laserpulssin aaltomuoto
Laserpulssin aaltomuoto ei ole ainoastaan tärkeä parametri materiaalin poiston ja sulamisen erottamiseksi, vaan se on myös keskeinen parametri käsittelylaitteiden määrän ja kustannusten määrittämisessä. Kun suuritehoinen lasersäde kohdistetaan materiaalin pintaan, materiaalin pinta heijastaa 60–90 % laserenergiasta ja häviää. Erityisesti kullan, hopean, kuparin, alumiinin, titaanin ja muiden materiaalien heijastus on voimakasta ja lämmönsiirto nopeaa. Metallin heijastavuus vaihtelee ajan kuluessa laserpulssisignaalin aikana. Kun materiaalin pintalämpötila nousee sulamispisteeseen, heijastavuus laskee nopeasti, ja kun pinta on sulamistilassa, heijastus vakiintuu tiettyyn arvoon.
3. Pulssinleveys Pulssinleveys on tärkeä parametri pulssilaserhitsauksessa. Pulssinleveys määräytyy tunkeutumissyvyyden ja lämpövaikutusvyöhykkeen mukaan. Mitä pidempi pulssinleveys, sitä suurempi lämpövaikutusvyöhyke, ja tunkeutumissyvyys kasvaa pulssinleveyden puolella teholla. Pulssinleveyden kasvu kuitenkin pienentää huipputehoa, joten pulssinleveyden kasvua käytetään yleensä lämmönjohtavuushitsauksessa, mikä johtaa leveään ja matalaan hitsausreikään, mikä sopii erityisesti ohuiden ja paksujen levyjen limihitsaukseen. Alhaisempi huipputeho johtaa kuitenkin liialliseen lämmöntuontiin, ja jokaisella materiaalilla on optimaalinen pulssinleveys, joka maksimoi tunkeutumisen.
4, epätarkentava laserhitsaus vaatii yleensä tietyn määrän epätarkennusta, koska laserin polttopisteen tehotiheys on liian korkea ja se haihtuu helposti reikiin. Tehotiheyden jakauma on suhteellisen tasainen jokaisessa laserin polttopisteestä poispäin olevassa tasossa. Epätarkennusmenetelmiä on kaksi: positiivinen epätarkennus ja negatiivinen epätarkennus. Jos polttotaso sijaitsee työkappaleen yläpuolella, kyseessä on positiivinen epätarkennus; muussa tapauksessa kyseessä on negatiivinen epätarkennus. Geometrisen optiikan teorian mukaan, kun positiivisen ja negatiivisen epätarkennustason etäisyys hitsaustasosta on yhtä suuri, vastaavan tason tehotiheys on suunnilleen sama, mutta todellisen hitsaussulan muoto on erilainen. Negatiivisessa epätarkennuksessa voidaan saavuttaa suurempi tunkeuma, mikä liittyy hitsisulaman muodostumisprosessiin.
5, hitsausnopeus Hitsausnopeus määrää hitsauspinnan laadun, tunkeuman, lämpövaikutusalueen jne. Hitsausnopeus vaikuttaa lämmöntuontiin aikayksikköä kohti. Jos hitsausnopeus on liian hidas, lämmöntuonti on liian suuri, mikä johtaa työkappaleen läpihitsaukseen. Jos hitsausnopeus on liian suuri, lämmöntuonti on liian pieni, mikä johtaa työkappaleen hitsaukseen läpinäkymättömäksi. Hitsausnopeuden pienentämistä käytetään yleensä tunkeuman parantamiseksi.
6, suojakaasun lisäpuhallus Suojakaasun lisäpuhallus on olennainen prosessi suurteholaserhitsauksessa. Se estää metallimateriaalien roiskumisen ja tarkennuspeilin saastumisen. Lisäksi se estää hitsausprosessissa syntyvän plasman liiallisen tarkentumisen ja laserin pääsyn materiaalin pintaan. Laserhitsauksessa käytetään usein heliumia, argonia, typpeä ja muita kaasuja suojaamaan sulaa allasta, jotta työkappale on suojattu hapettumiselta hitsaustekniikassa. Suojakaasun tyyppi, ilmavirran koko ja puhalluskulma vaikuttavat suuresti hitsaustulokseen. Myös erilaisilla puhallusmenetelmillä on tietty vaikutus hitsauslaatuun.
Helium ei ionisoidu helposti (sillä on korkea ionisoiva energia), minkä ansiosta laser kulkee tasaisesti ja säteen energia saavuttaa työkappaleen pinnan esteettä. Tämä on tehokkain laserhitsauksessa käytetty suojakaasu, mutta hinta on suhteellisen korkea. Argon on halvempaa ja tiheämpää, joten sillä on parempi suoja. Korkean lämpötilan metalliplasma ionisoi sen kuitenkin helposti, mikä suojaa osan säteestä työkappaleelta, heikentää hitsauksen tehokasta lasertehoa, mutta myös vahingoittaa hitsausnopeutta ja tunkeumaa. Argonilla suojattujen hitsien pinnat ovat sileämpiä kuin heliumilla suojattujen. Typpi on suojakaasuna halvin, mutta se ei sovellu tietyntyyppiseen ruostumattoman teräksen hitsaukseen, pääasiassa metallurgisten ongelmien, kuten absorption, vuoksi, joka joskus luo huokosia limitysalueelle.
Uutena hitsaustekniikkana laserhitsauksella on ominaisuuksia, kuten korkea energiatiheys, suuri nopeus, korkea tarkkuus, syvä tunkeutumiskyky ja vahva sopeutumiskyky. Sen sovellusalue laajenee jatkuvasti, mikä voi paitsi parantaa tuotantotehokkuutta myös parantaa hitsauksen laatua. Laserhitsaustekniikalla on varmasti tärkeämpi rooli materiaalinkäsittelyn alalla.
Julkaisun aika: 28.3.2023
