Lasersko zavarivanje jedan je od važnih aspekata primjene tehnologije laserske obrade, ali i najprivlačnija i najperspektivnija tehnologija zavarivanja u 21. stoljeću. U usporedbi s tradicionalnim metodama zavarivanja, lasersko zavarivanje ima mnoge prednosti, veću kvalitetu zavarivanja i bržu učinkovitost. Trenutno se tehnologija laserskog zavarivanja široko koristi u proizvodnji, metalurgiji praha, automobilskoj industriji, elektroničkoj industriji, biomedicini i drugim područjima.
Prema mehanizmu stvaranja zavarivačke kupke, lasersko zavarivanje ima dva osnovna mehanizma zavarivanja: zavarivanje toplinskom kondukcijom i zavarivanje dubokom penetracijom (male rupe). Toplina generirana zavarivanjem toplinskom kondukcijom difuzira se na obratak prijenosom topline, tako da se površina zavara topi, u osnovi bez fenomena isparavanja, što se često koristi pri zavarivanju tankostijenih komponenti spore brzine. Duboko taljenjem isparava materijal i stvara se velika količina plazme. Zbog velike topline, na prednjem kraju rastaljene kupke bit će rupa. Duboko penetracijom se može temeljito zavariti obratak, a ulazna energija je velika, brzina zavarivanja je velika, što je najčešće korišten način laserskog zavarivanja.
Mnogo je procesnih parametara koji utječu na kvalitetu laserskog zavarivanja, kao što su gustoća snage, oblik vala laserskog impulsa, defokusiranje, brzina zavarivanja i pomoćni plin za upuhivanje.
1. Gustoća laserske snage Gustoća snage jedan je od najvažnijih parametara u laserskoj obradi. S većom gustoćom snage, površinski sloj može se zagrijati do vrelišta u rasponu od mikrosekundi, generirajući veliku količinu isparavanja. Stoga je visoka gustoća snage vrlo povoljna za obradu uklanjanja materijala, poput probijanja, rezanja i graviranja. Kod niske gustoće snage potrebno je nekoliko milisekundi da temperatura površine dosegne vrelište, a prije nego što površinski sloj ispari, donji sloj dosegne talište, što omogućuje dobro zavarivanje taljenjem. Stoga je kod laserskog zavarivanja toplinskom vodljivošću raspon gustoće snage 104-106 W/cm2.
2. Oblik vala laserskog impulsa
Oblik vala laserskog impulsa nije samo važan parametar za razlikovanje uklanjanja materijala od taljenja materijala, već i ključni parametar za određivanje volumena i troškova opreme za obradu. Kada laserska zraka visokog intenziteta usmjeri na površinu materijala, površina materijala će imati 60 ~ 90% refleksije i gubitka laserske energije, posebno zlato, srebro, bakar, aluminij, titan i drugi materijali koji snažno reflektiraju i brzo prenose toplinu. Refleksija metala varira s vremenom tijekom laserskog impulsnog signala. Kada se temperatura površine materijala povisi do točke taljenja, refleksija se brzo smanjuje, a kada je površina u stanju taljenja, refleksija se stabilizira na određenoj vrijednosti.
3. Širina impulsa Širina impulsa važan je parametar pulsirajućeg laserskog zavarivanja. Širina impulsa određena je dubinom prodiranja i zonom utjecaja topline. Što je širina impulsa dulja, to je zona utjecaja topline veća, a dubina prodiranja povećava se s 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 preklopno 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 točke previsoka, lako isparava u rupe. Raspodjela gustoće snage je relativno jednolika u svakoj ravnini dalje od laserskog fokusa. Postoje dvije metode defokusiranja: pozitivno defokusiranje i negativno defokusiranje. Ako se žarišna ravnina nalazi iznad obratka, to je pozitivno defokusiranje; u suprotnom, to je negativno defokusiranje. Prema teoriji geometrijske optike, kada je udaljenost između pozitivne i negativne ravnine defokusiranja i ravnine zavarivanja jednaka, gustoća snage na odgovarajućoj ravnini je približno ista, ali je stvarni dobiveni oblik zavarivačke kupke drugačiji. U slučaju negativnog defokusiranja može se postići veća penetracija, što je povezano s procesom stvaranja rastaljene kupke.
5, brzina zavarivanja Brzina zavarivanja određuje kvalitetu 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 upuhivanje zaštitnog plina Pomoćno upuhivanje zaštitnog plina ključan je postupak u laserskom zavarivanju velike snage. S jedne strane, sprječava prskanje metalnih materijala i onečišćenje fokusnog zrcala; s druge strane, sprječava previše fokusiranja plazme nastale u procesu zavarivanja i sprječava da laser dosegne površinu materijala. U procesu laserskog zavarivanja, helij, argon, dušik i drugi plinovi često se koriste za zaštitu rastaljene kupke, tako da je obradak zaštićen od oksidacije u tehnici zavarivanja. Čimbenici poput vrste zaštitnog plina, veličine protoka zraka i kuta upuhivanja imaju veliki utjecaj na rezultat zavarivanja. Različite metode upuhivanja također imaju određeni utjecaj na kvalitetu zavarivanja.
Helij se ne ionizira lako (ima visoku ionizirajuću energiju), što omogućuje laseru nesmetan prolaz i nesmetan dolazak energije snopa do površine obratka. Ovo je najučinkovitiji zaštitni plin koji se koristi u laserskom zavarivanju, ali cijena mu je relativno visoka. Argon je jeftiniji i gušći, pa ima bolju zaštitu. Međutim, lako se ionizira metalnom plazmom visoke temperature, čime se dio snopa štiti od obratka, smanjuje efektivna snaga lasera zavarivanja, ali i oštećuje brzina zavarivanja i prodiranje. Površine zavara zaštićene argonom su glatkije od onih zaštićenih helijem. Dušik je najjeftiniji kao zaštitni plin, ali nije prikladan za neke vrste zavarivanja nehrđajućeg čelika, uglavnom zbog metalurških problema, poput apsorpcije, 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 snažne prilagodljivosti. Njegova primjena je sve šira, što ne samo da može poboljšati učinkovitost proizvodnje, već i poboljšati kvalitetu zavarivanja. Tehnologija laserskog zavarivanja zasigurno će igrati važniju ulogu u području obrade materijala.
Vrijeme objave: 28. ožujka 2023.
