Lāzermetināšana ir viens no svarīgākajiem lāzerapstrādes tehnoloģijas pielietošanas aspektiem, taču tā ir arī vispievilcīgākā un daudzsološākā metināšanas tehnoloģija 21. gadsimtā. Salīdzinot ar tradicionālajām metināšanas metodēm, lāzermetināšanai ir daudz priekšrocību, augstāka metināšanas kvalitāte un ātrāka efektivitāte. Pašlaik lāzermetināšanas tehnoloģija ir plaši izmantota ražošanā, pulvermetalurģijā, automobiļu rūpniecībā, elektronikas rūpniecībā, biomedicīnā un citās jomās.
Saskaņā ar metināšanas baseina veidošanās mehānismu lāzermetināšanai ir divi galvenie metināšanas mehānismi: siltumvadītspējas metināšana un dziļas iespiešanās (mazu caurumu) metināšana. Siltumavadītspējas metināšanas radītais siltums caur siltuma pārnesi tiek izkliedēts uz sagatavi, kā rezultātā metinājuma virsma izkūst, būtībā nenotiek iztvaikošana, ko bieži izmanto lēnas darbības plānsienu komponentu metināšanā. Dziļā kausēšanas metināšana iztvaicē materiālu un veido lielu plazmas daudzumu. Lielā siltuma dēļ izkausētā baseina priekšējā galā veidosies caurumi. Dziļās iespiešanās metināšana var rūpīgi sametināt sagatavi, un ieejas enerģija ir liela, metināšanas ātrums ir liels, un tas ir visplašāk izmantotais lāzermetināšanas režīms.
Lāzera metināšanas kvalitāti ietekmē daudzi procesa parametri, piemēram, jaudas blīvums, lāzera impulsa viļņu forma, defokuss, metināšanas ātrums un palīgpūšanas gāze.
1. Lāzera jaudas blīvums Jaudas blīvums ir viens no kritiskākajiem parametriem lāzera apstrādē. Ar lielāku jaudas blīvumu virsmas slāni var uzkarsēt līdz viršanas temperatūrai mikrosekundes laikā, radot lielu iztvaikošanas daudzumu. Tāpēc augsts jaudas blīvums ir ļoti izdevīgs materiālu noņemšanas apstrādē, piemēram, perforācijā, griešanas un gravēšanas darbos. Ar zemu jaudas blīvumu virsmas temperatūrai viršanas temperatūras sasniegšanai nepieciešamas vairākas milisekundes, un pirms virsmas slāņa iztvaikošanas apakšējais slānis sasniedz kušanas temperatūru, kas atvieglo labas kausēšanas metināšanas veidošanos. Tāpēc siltumvadītspējas lāzera metināšanā jaudas blīvuma diapazons ir 104–106 W/cm2.
2. Lāzera impulsa viļņu forma
Lāzera impulsa viļņa forma ir ne tikai svarīgs parametrs, lai atšķirtu materiāla noņemšanu no materiāla kušanas, bet arī galvenais parametrs, lai noteiktu apstrādes iekārtu apjomu un izmaksas. Kad augstas intensitātes lāzera stars nonāk materiāla virsmā, materiāla virsma atstaros 60–90% no lāzera enerģijas un zaudēs to, īpaši zelta, sudraba, vara, alumīnija, titāna un citu materiālu gadījumā, ir spēcīga atstarošana un ātra siltuma pārnešana. Metāla atstarošanas spēja lāzera impulsa signāla laikā mainās atkarībā no laika. Kad materiāla virsmas temperatūra tiek paaugstināta līdz kušanas temperatūrai, atstarošanas spēja strauji samazinās, un, kad virsma ir kušanas stāvoklī, atstarošanas spēja stabilizējas noteiktā vērtībā.
3. Impulsa platums Impulsa platums ir svarīgs impulsa lāzera metināšanas parametrs. Impulsa platumu noteica iespiešanās dziļums un termiski ietekmētā zona. Jo garāks impulsa platums, jo lielāka termiski ietekmētā zona, un iespiešanās dziļums palielinājās par pusi no impulsa platuma jaudas. Tomēr, palielinot impulsa platumu, samazināsies maksimālā jauda, tāpēc impulsa platuma palielināšanu parasti izmanto siltumvadītspējas metināšanā, kā rezultātā tiek iegūts plats un seklāks metinājuma izmērs, kas ir īpaši piemērots plānu un biezu plākšņu pārlaiduma metināšanai. Tomēr zemāka maksimālā jauda rada pārmērīgu siltuma padevi, un katram materiālam ir optimāls impulsa platums, kas maksimāli palielina iespiešanos.
4. Defokusēta lāzera metināšana parasti prasa zināmu defokusēšanas pakāpi, jo lāzera fokusa punkta centrā esošais jaudas blīvums ir pārāk augsts un viegli iztvaiko caurumos. Jaudas blīvuma sadalījums katrā plaknē prom no lāzera fokusa ir relatīvi vienmērīgs. Ir divas defokusēšanas metodes: pozitīvā defokusēšana un negatīvā defokusēšana. Ja fokusa plakne atrodas virs sagataves, tā ir pozitīva defokusēšana; pretējā gadījumā tā ir negatīva defokusēšana. Saskaņā ar ģeometriskās optikas teoriju, ja attālums starp pozitīvo un negatīvo defokusēšanas plakni un metināšanas plakni ir vienāds, jaudas blīvums atbilstošajā plaknē ir aptuveni vienāds, bet faktiski iegūtā metināšanas vannas forma ir atšķirīga. Negatīvās defokusēšanas gadījumā var iegūt lielāku iespiešanos, kas ir saistīts ar kausējuma vannas veidošanās procesu.
5. Metināšanas ātrums Metināšanas ātrums nosaka metināšanas virsmas kvalitāti, iespiešanās pakāpi, karstuma ietekmēto zonu utt. Metināšanas ātrums ietekmē siltuma ievadi laika vienībā. Ja metināšanas ātrums ir pārāk mazs, siltuma ievade ir pārāk liela, kā rezultātā sagatave izdeg. Ja metināšanas ātrums ir pārāk liels, siltuma ievade ir pārāk maza, kā rezultātā sagatave kļūst necaurspīdīga. Metināšanas ātruma samazināšana parasti tiek izmantota, lai uzlabotu iespiešanās pakāpi.
6. Aizsarggāzes palīgpūšana Aizsarggāzes palīgpūšana ir būtisks process lieljaudas lāzera metināšanā. No vienas puses, lai novērstu metāla materiālu izsmidzināšanu un fokusēšanas spoguļa piesārņošanu; no otras puses, lai novērstu metināšanas procesā radītās plazmas pārāk lielu fokusēšanos un lāzera nokļūšanu materiāla virsmā. Lāzera metināšanas procesā bieži tiek izmantots hēlijs, argons, slāpeklis un citas gāzes, lai aizsargātu izkausēto vannu, tādējādi metināšanas tehnoloģijā pasargājot sagatavi no oksidēšanās. Tādi faktori kā aizsarggāzes veids, gaisa plūsmas lielums un pūšanas leņķis būtiski ietekmē metināšanas rezultātu. Dažādas pūšanas metodes arī zināmā mērā ietekmē metināšanas kvalitāti.
Hēlijs nejonizējas viegli (tam ir augsta jonizējošā enerģija), ļaujot lāzeram vienmērīgi iziet cauri un stara enerģijai netraucēti sasniegt sagataves virsmu. Šī ir visefektīvākā aizsarggāze, ko izmanto lāzermetināšanā, taču cena ir salīdzinoši augsta. Argons ir lētāks un blīvāks, tāpēc tam ir labāka aizsardzība. Tomēr to viegli jonizē augstas temperatūras metāla plazma, tādējādi pasargājot daļu stara no sagataves, samazinot metināšanas efektīvo lāzera jaudu, kā arī bojājot metināšanas ātrumu un iespiešanos. Ar argonu aizsargātās metinājuma virsmas ir gludākas nekā tās, ko aizsargā hēlijs. Slāpeklis ir lētākā aizsarggāze, taču tas nav piemērots dažiem nerūsējošā tērauda metināšanas veidiem, galvenokārt metalurģisku problēmu, piemēram, absorbcijas, dēļ, kas dažkārt rada poras pārlaiduma zonā.
Kā jauna metināšanas tehnoloģija, lāzera metināšanai piemīt augsts enerģijas blīvums, liels ātrums, augsta precizitāte, dziļa iespiešanās un spēcīga pielāgošanās spēja. Tās pielietojums kļūst arvien plašāks, kas var ne tikai uzlabot ražošanas efektivitāti, bet arī uzlabot metināšanas kvalitāti. Lāzera metināšanas tehnoloģijai noteikti būs arvien lielāka loma materiālu apstrādes jomā.
Publicēšanas laiks: 2023. gada 28. marts
