Lasersveising er et av de viktigste aspektene ved bruk av laserbehandlingsteknologi, men også den mest iøynefallende og lovende sveiseteknologien i det 21. århundre. Sammenlignet med tradisjonelle sveisemetoder har lasersveising mange fordeler, høyere sveisekvalitet og raskere effektivitet. For tiden har lasersveiseteknologi blitt mye brukt i produksjon, pulvermetallurgi, bilindustri, elektronikkindustri, biomedisin og andre felt.
I henhold til dannelsesmekanismen til et smeltebad har lasersveising to grunnleggende sveisemekanismer: varmeledningssveising og dyp penetrasjonssveising (små hull). Varmen som genereres ved varmeledningssveising diffunderes til arbeidsstykket gjennom varmeoverføring, slik at overflaten av sveisen smelter, og det er i utgangspunktet ikke noe fordampningsfenomen. Dette brukes ofte ved sveising av lavhastighets tynnveggede komponenter. Dyp smeltesveising fordamper materialet og danner en stor mengde plasma. På grunn av den store varmen vil det dannes hull i den fremre enden av smeltebadet. Dyp penetrasjonssveising kan sveise arbeidsstykket grundig, og inngangsenergien er stor og sveisehastigheten er rask. Dette er den mest brukte lasersveisemetoden.
Det er mange prosessparametere som påvirker lasersveisekvaliteten, for eksempel effekttetthet, laserpulsbølgeform, defokusering, sveisehastighet og hjelpeblåsegass.
1. Lasereffekttetthet Effekttetthet er en av de viktigste parameterne i laserprosessering. Med en høyere effekttetthet kan overflatelaget varmes opp til kokepunktet innen et mikrosekund, noe som genererer en stor mengde fordampning. Derfor er høy effekttetthet svært fordelaktig for materialfjerningsprosesser, som stansing, skjæring og gravering. Ved lav effekttetthet tar det flere millisekunder før overflatetemperaturen når kokepunktet, og før overflatelaget fordamper, når bunnlaget smeltepunktet, noe som gjør det enkelt å danne en god smeltesveising. Derfor er effekttetthetsområdet 104–106 W/cm2 ved varmeledningslasersveising.
2. Laserpulsbølgeform
Laserpulsbølgeformen er ikke bare en viktig parameter for å skille mellom materialfjerning og smelting av materiale, men også en nøkkelparameter for å bestemme volumet og kostnaden for prosesseringsutstyr. Når en høyintensiv laserstråle treffer materialets overflate, vil 60–90 % av laserens energi reflekteres og tapes på overflaten. Spesielt gull, sølv, kobber, aluminium, titan og andre materialer har sterk refleksjon og rask varmeoverføring. Metallets reflektans varierer over tid under et laserpulssignal. Når materialets overflatetemperatur økes til smeltepunktet, avtar reflektansen raskt, og når overflaten er i smeltetilstand, stabiliserer refleksjonen seg på en viss verdi.
3. Pulsbredde Pulsbredde er en viktig parameter for pulslasersveising. Pulsbredden bestemmes av penetrasjonsdybden og den varmepåvirkede sonen. Jo lengre pulsbredden er, desto større er den varmepåvirkede sonen, og penetrasjonsdybden øker med halvparten av pulsbredden. Imidlertid vil økningen av pulsbredden redusere toppeffekten, så økningen av pulsbredden brukes vanligvis til varmeledningssveising, noe som resulterer i en bred og grunn sveisestørrelse, spesielt egnet for overlappsveising av tynne og tykke plater. Imidlertid resulterer lavere toppeffekt i overflødig varmetilførsel, og hvert materiale har en optimal pulsbredde som maksimerer penetrasjonen.
4. Defokusert lasersveising krever vanligvis en viss mengde defokus, fordi laserfokuset i sentrum av punkteffekttettheten er for høyt, noe som lett fordamper inn i hullene. Fordelingen av effekttettheten er relativt jevn i hvert plan vekk fra laserfokuset. Det finnes to defokuseringsmetoder: positiv defokusering og negativ defokusering. Hvis fokusplanet er plassert over arbeidsstykket, er det positiv defokusering; ellers er det negativ defokusering. I følge geometrisk optikkteori er effekttettheten på det tilsvarende planet omtrent den samme når avstanden mellom de positive og negative defokuseringsplanene og sveiseplanet er lik, men den faktiske formen på smeltebadet er forskjellig. Ved negativ defokusering kan man oppnå større penetrasjon, noe som er relatert til dannelsesprosessen av smeltebadet.
5, sveisehastighet Sveisehastigheten bestemmer sveiseoverflatens kvalitet, penetrasjon, varmepåvirket sone, osv. Sveisehastigheten vil påvirke varmetilførselen per tidsenhet. Hvis sveisehastigheten er for lav, er varmetilførselen for stor, noe som resulterer i at arbeidsstykket brenner gjennom. Hvis sveisehastigheten er for høy, er varmetilførselen for liten, noe som resulterer i at arbeidsstykket blir ugjennomsiktig. Å redusere sveisehastigheten brukes vanligvis til å forbedre penetrasjonen.
6, Hjelpeblåsende beskyttelsesgass Hjelpeblåsende beskyttelsesgass er en viktig prosess i høyeffektslasersveising. På den ene siden er det for å forhindre at metallmaterialer sputter og forurenser fokuseringsspeilet; på den andre siden er det for å forhindre at plasmaet som genereres i sveiseprosessen fokuserer for mye og forhindre at laseren når materialoverflaten. I lasersveiseprosessen brukes ofte helium, argon, nitrogen og andre gasser for å beskytte smeltebadet, slik at arbeidsstykket beskyttes mot oksidasjon i sveiseteknikken. Faktorer som type beskyttelsesgass, størrelsen på luftstrømmen og blåsevinkelen har stor innflytelse på sveiseresultatet. Ulike blåsemetoder har også en viss innflytelse på sveisekvaliteten.
Helium ioniserer ikke lett (det har høy ioniserende energi), noe som gjør at laseren kan passere jevnt og strålens energi når arbeidsstykkets overflate uhindret. Dette er den mest effektive beskyttelsesgassen som brukes i lasersveising, men prisen er relativt høy. Argon er billigere og tettere, så den har bedre beskyttelse. Den ioniseres imidlertid lett av høytemperatur metallplasma, og beskytter dermed deler av strålen fra arbeidsstykket. Dette reduserer den effektive laserkraften til sveising, men skader også sveisehastigheten og penetrasjonen. Overflatene på sveiser beskyttet av argon er glattere enn de som er beskyttet av helium. Nitrogen er den billigste beskyttelsesgass, men den er ikke egnet for enkelte typer sveising av rustfritt stål, hovedsakelig på grunn av metallurgiske problemer, som absorpsjon, som noen ganger skaper porer i overlappingssonen.
Som en ny sveiseteknologi har lasersveising egenskapene høy energitetthet, høy hastighet, høy presisjon, dyp penetrasjon og sterk tilpasningsevne. Anvendelsen blir stadig mer omfattende, noe som ikke bare kan forbedre produksjonseffektiviteten, men også forbedre sveisekvaliteten. Lasersveiseteknologi vil utvilsomt spille en viktigere rolle innen materialbearbeiding.
Publisert: 28. mars 2023
