A lézerhegesztés a lézeres megmunkálási technológia alkalmazásának egyik fontos aspektusa, de egyben a 21. század legszembetűnőbb és legígéretesebb hegesztési technológiája is. A hagyományos hegesztési módszerekkel összehasonlítva a lézerhegesztés számos előnnyel, jobb hegesztési minőséggel és gyorsabb hatékonysággal rendelkezik. Jelenleg a lézerhegesztési technológiát széles körben alkalmazzák a gyártásban, a porkohászatban, az autóiparban, az elektronikai iparban, a biomedicinában és más területeken.
A hegesztőfürdő képződési mechanizmusa szerint a lézerhegesztésnek két alapvető hegesztési mechanizmusa van: a hővezető hegesztés és a mélypenetrációs (kis lyukú) hegesztés. A hővezető hegesztés során keletkező hő hőátadással diffundál a munkadarabra, így a hegesztés felülete megolvad, alapvetően nincs párolgási jelenség, amit gyakran alkalmaznak alacsony sebességű vékonyfalú alkatrészek hegesztésekor. A mélyfúziós hegesztés elpárologtatja az anyagot, és nagy mennyiségű plazmát képez. A nagy hő miatt lyukak keletkeznek az olvadékfürdő elülső végén. A mélypenetrációs hegesztés alaposan meghegeszti a munkadarabot, a bemeneti energia nagy, a hegesztési sebesség gyors, ez a legszélesebb körben használt lézerhegesztési mód.
Számos folyamatparaméter befolyásolja a lézerhegesztés minőségét, mint például a teljesítménysűrűség, a lézerimpulzus hullámformája, a fókuszvesztés, a hegesztési sebesség és a kiegészítő fúvógáz.
1. Lézer teljesítménysűrűsége A teljesítménysűrűség a lézeres megmunkálás egyik legfontosabb paramétere. Nagyobb teljesítménysűrűség esetén a felületi réteg mikroszekundum alatt forráspontra melegíthető, ami nagy mennyiségű párologtatást eredményez. Ezért a nagy teljesítménysűrűség nagyon előnyös az anyagleválasztási folyamatokhoz, például a lyukasztáshoz, vágáshoz és gravírozáshoz. Alacsony teljesítménysűrűség esetén több milliszekundum szükséges ahhoz, hogy a felületi hőmérséklet elérje a forráspontot, és mielőtt a felületi réteg elpárologna, az alsó réteg eléri az olvadáspontot, ami megkönnyíti a jó fúziós hegesztés kialakítását. Ezért a hővezetéses lézerhegesztésnél a teljesítménysűrűség tartománya 104-106 W/cm2.
2. Lézer impulzus hullámforma
A lézerimpulzus hullámformája nemcsak fontos paraméter az anyagleválasztás és az anyagolvasztás megkülönböztetéséhez, hanem kulcsfontosságú paraméter a feldolgozó berendezések mennyiségének és költségének meghatározásához is. Amikor nagy intenzitású lézersugár éri az anyag felületét, az anyag felülete a lézerenergia 60–90%-át visszaveri és elveszíti, különösen az arany, ezüst, réz, alumínium, titán és más anyagok erős visszaverődése és gyors hőátadása esetén. A fém visszaverődése az impulzusjel során az idő múlásával változik. Amikor az anyag felületi hőmérséklete eléri az olvadáspontot, a visszaverődés gyorsan csökken, és amikor a felület olvadási állapotban van, a visszaverődés egy bizonyos értékre stabilizálódik.
3. Impulzusszélesség Az impulzusszélesség az impulzuslézeres hegesztés fontos paramétere. Az impulzusszélességet a behatolási mélység és a hőhatásövezet határozta meg. Minél hosszabb az impulzusszélesség, annál nagyobb a hőhatásövezet, és a behatolási mélység az impulzusszélesség felével nőtt. Az impulzusszélesség növelése azonban csökkenti a csúcsteljesítményt, ezért az impulzusszélesség növelését általában hővezetéses hegesztéshez alkalmazzák, ami széles és sekély varratméretet eredményez, különösen alkalmas vékony és vastag lemezek átfedő hegesztéséhez. Az alacsonyabb csúcsteljesítmény azonban túlzott hőbevitelt eredményez, és minden anyagnak van egy optimális impulzusszélessége, amely maximalizálja a behatolást.
4, a defókuszált lézerhegesztés általában bizonyos mértékű defókuszt igényel, mivel a lézer fókuszpontjának közepén lévő teljesítménysűrűség túl magas, és könnyen bepárolódik a lyukakba. A teljesítménysűrűség eloszlása viszonylag egyenletes a lézerfókusztól távolodó minden síkban. Két defókuszálási módszer létezik: pozitív defókuszálás és negatív defókuszálás. Ha a fókuszsík a munkadarab felett helyezkedik el, akkor pozitív defókuszálásról van szó; egyébként negatív defókuszálásról. A geometriai optika elmélete szerint, ha a pozitív és negatív defókuszáló síkok és a hegesztési sík közötti távolság egyenlő, akkor a megfelelő síkon a teljesítménysűrűség megközelítőleg azonos, de a ténylegesen kapott hegesztési medence alakja eltérő. Negatív defókuszálás esetén nagyobb penetráció érhető el, ami az olvadékfürdő képződési folyamatával függ össze.
5, hegesztési sebesség A hegesztési sebesség meghatározza a hegesztési felület minőségét, a penetrációt, a hőhatásövezetet stb. A hegesztési sebesség befolyásolja az időegységre jutó hőbevitelt. Ha a hegesztési sebesség túl lassú, a hőbevitel túl nagy, ami a munkadarab átégéséhez vezet. Ha a hegesztési sebesség túl gyors, a hőbevitel túl kicsi, ami a munkadarab átlátszatlan hegesztését eredményezi. A hegesztési sebesség csökkentését általában a penetráció javítására használják.
6, kiegészítő védőgáz befúvás A kiegészítő védőgáz befúvás elengedhetetlen folyamat a nagy teljesítményű lézeres hegesztésben. Egyrészt megakadályozza a fémanyagok porladását és a fókuszáló tükör szennyeződését; másrészt megakadályozza a hegesztési folyamat során keletkező plazma túlzott fókuszálását, és megakadályozza, hogy a lézer elérje az anyag felületét. A lézeres hegesztés során gyakran használnak héliumot, argont, nitrogént és más gázokat az olvadékfürdő védelmére, hogy a munkadarab védve legyen az oxidációtól a hegesztés során. Az olyan tényezők, mint a védőgáz típusa, a levegő áramlási sebessége és a fúvás szöge nagyban befolyásolják a hegesztési eredményt. A különböző fúvásmódszerek szintén bizonyos mértékben befolyásolják a hegesztés minőségét.
A hélium nem ionizálódik könnyen (nagy ionizáló energiával rendelkezik), így a lézer simán áthalad, és a nyaláb energiája akadálytalanul éri el a munkadarab felületét. Ez a lézerhegesztésben használt leghatékonyabb védőgáz, de az ára viszonylag drága. Az argon olcsóbb és sűrűbb, így jobb védelmet nyújt. A magas hőmérsékletű fémplazma azonban könnyen ionizálja, így a nyaláb egy részét árnyékolja a munkadarabtól, csökkentve a hegesztés effektív lézerteljesítményét, de a hegesztési sebességet és a behatolási sebességet is rontja. Az argonnal védett hegesztési varratok felületei simábbak, mint a héliummal védettek. A nitrogén a legolcsóbb védőgáz, de bizonyos típusú rozsdamentes acél hegesztéséhez nem alkalmas, főként kohászati problémák, például az abszorpció miatt, amely néha pórusokat hoz létre az átfedési zónában.
Új hegesztési technológiaként a lézerhegesztés nagy energiasűrűséggel, nagy sebességgel, nagy pontossággal, mély behatolással és erős alkalmazkodóképességgel rendelkezik. Alkalmazása egyre szélesebb körű, ami nemcsak a termelési hatékonyságot, hanem a hegesztés minőségét is javíthatja. A lézerhegesztés technológiája minden bizonnyal egyre fontosabb szerepet fog játszani az anyagfeldolgozás területén.
Közzététel ideje: 2023. márc. 28.
