Spawanie laserowe to jeden z najważniejszych aspektów zastosowania technologii obróbki laserowej, a jednocześnie najbardziej obiecująca i obiecująca technologia spawalnicza XXI wieku. W porównaniu z tradycyjnymi metodami spawania, spawanie laserowe oferuje wiele zalet, wyższą jakość spawania i większą wydajność. Obecnie technologia spawania laserowego jest szeroko stosowana w przemyśle wytwórczym, metalurgii proszków, przemyśle motoryzacyjnym, elektronicznym, biomedycynie i innych dziedzinach.
Ze względu na mechanizm formowania się jeziorka spawalniczego, spawanie laserowe wyróżnia się dwoma podstawowymi metodami: spawaniem z przewodzeniem ciepła i spawaniem z głębokim wtopieniem (z małymi otworami). Ciepło generowane podczas spawania z przewodzeniem ciepła jest rozpraszane na spawany element poprzez wymianę ciepła, co powoduje stopienie powierzchni spoiny, a zjawisko parowania jest w zasadzie nieobecne, co jest często spotykane w spawaniu cienkościennych elementów z niską prędkością. Spawanie z głębokim wtopieniem powoduje odparowanie materiału i powstanie dużej ilości plazmy. Ze względu na wysoką temperaturę, w przedniej części jeziorka powstają otwory. Spawanie z głębokim wtopieniem umożliwia dokładne spawanie spawanego elementu, a duża energia wejściowa i duża prędkość spawania sprawiają, że jest to najczęściej stosowana metoda spawania laserowego.
Na jakość spawania laserowego wpływa wiele parametrów procesu, takich jak gęstość mocy, kształt fali impulsu laserowego, rozogniskowanie, prędkość spawania i pomocniczy gaz do przedmuchiwania.
1. Gęstość mocy lasera. Gęstość mocy jest jednym z najważniejszych parametrów obróbki laserowej. Przy wyższej gęstości mocy, warstwa powierzchniowa może zostać podgrzana do temperatury wrzenia w ciągu mikrosekund, generując dużą ilość parowania. Dlatego wysoka gęstość mocy jest bardzo korzystna w obróbce ubytkowej, takiej jak wykrawanie, cięcie i grawerowanie. W przypadku niskiej gęstości mocy, osiągnięcie temperatury wrzenia powierzchni zajmuje kilka milisekund, a zanim warstwa powierzchniowa odparuje, warstwa dolna osiąga temperaturę topnienia, co ułatwia wykonanie dobrego spoiny. Dlatego w spawaniu laserowym z przewodzeniem ciepła, gęstość mocy wynosi 104–106 W/cm².
2. Kształt fali impulsu laserowego
Kształt fali impulsu laserowego jest nie tylko ważnym parametrem pozwalającym odróżnić usuwanie materiału od jego topienia, ale także kluczowym parametrem określającym objętość i koszt sprzętu do obróbki. Gdy wiązka laserowa o wysokiej intensywności pada na powierzchnię materiału, powierzchnia materiału będzie miała 60–90% odbicia i strat energii lasera, szczególnie w przypadku złota, srebra, miedzi, aluminium, tytanu i innych materiałów, co charakteryzuje się silnym odbiciem i szybkim transferem ciepła. Współczynnik odbicia metalu zmienia się w czasie trwania impulsu laserowego. Gdy temperatura powierzchni materiału wzrośnie do temperatury topnienia, współczynnik odbicia gwałtownie spada, a gdy powierzchnia jest w stanie topnienia, współczynnik odbicia stabilizuje się na określonym poziomie.
3. Szerokość impulsu. Szerokość impulsu jest ważnym parametrem spawania laserowego impulsowego. Szerokość impulsu jest określana przez głębokość wtopienia i strefę wpływu ciepła. Im dłuższa szerokość impulsu, tym większa strefa wpływu ciepła, a głębokość wtopienia wzrasta wraz ze wzrostem mocy impulsu o połowę. Należy jednak pamiętać, że zwiększenie szerokości impulsu zmniejsza moc szczytową, dlatego też zwiększenie szerokości impulsu jest zazwyczaj stosowane w spawaniu przewodzącym ciepło, co skutkuje szeroką i płytką spoiną, szczególnie przydatną do spawania zakładkowego cienkich i grubych blach. Niższa moc szczytowa powoduje jednak nadmiar ciepła, a każdy materiał ma optymalną szerokość impulsu, która maksymalizuje wtopienia.
4. Spawanie laserowe z rozogniskowaniem zazwyczaj wymaga pewnego stopnia rozogniskowania, ponieważ gęstość mocy skupienia lasera w centrum punktu jest zbyt wysoka, co ułatwia wyparowywanie w postaci dziur. Rozkład gęstości mocy jest stosunkowo równomierny w każdej płaszczyźnie od ogniska lasera. Istnieją dwie metody rozogniskowania: rozogniskowanie dodatnie i rozogniskowanie ujemne. Jeśli płaszczyzna ogniskowa znajduje się nad przedmiotem obrabianym, mamy do czynienia z rozogniskowaniem dodatnim; w przeciwnym razie z rozogniskowaniem ujemnym. Zgodnie z teorią optyki geometrycznej, gdy odległość między płaszczyznami rozogniskowania dodatniego i ujemnego a płaszczyzną spawania jest równa, gęstość mocy na odpowiedniej płaszczyźnie jest w przybliżeniu taka sama, ale rzeczywisty kształt jeziorka spawalniczego jest inny. W przypadku rozogniskowania ujemnego można uzyskać większą penetrację, co jest związane z procesem formowania się jeziorka spawalniczego.
5. Prędkość spawania. Prędkość spawania decyduje o jakości powierzchni spawania, penetracji, strefie wpływu ciepła itp. Prędkość spawania wpływa na ilość ciepła doprowadzonego w jednostce czasu. Zbyt niska prędkość spawania oznacza zbyt dużą ilość ciepła doprowadzonego, co prowadzi do przepalenia spawanego elementu. Zbyt duża prędkość spawania oznacza zbyt małą ilość ciepła doprowadzonego, co prowadzi do nieprzezroczystości spawanego elementu. Zmniejszenie prędkości spawania jest zazwyczaj stosowane w celu poprawy penetracji.
6. Dodatkowe nadmuchy gazem ochronnym. Dodatkowe nadmuchy gazem ochronnym są niezbędnym procesem w spawaniu laserowym dużej mocy. Z jednej strony, zapobiegają rozpylaniu się materiału metalowego i zanieczyszczeniu zwierciadła skupiającego; z drugiej strony, zapobiegają nadmiernemu skupieniu plazmy generowanej podczas spawania i dotarciu lasera do powierzchni materiału. W procesie spawania laserowego często stosuje się hel, argon, azot i inne gazy do ochrony jeziorka spawalniczego, chroniąc w ten sposób spawany element przed utlenianiem. Czynniki takie jak rodzaj gazu ochronnego, natężenie przepływu powietrza i kąt nadmuchu mają duży wpływ na wynik spawania. Różne metody nadmuchu również mają pewien wpływ na jakość spawania.
Hel nie jonizuje się łatwo (ma wysoką energię jonizacyjną), co pozwala na płynne przejście lasera i swobodne dotarcie wiązki do powierzchni przedmiotu obrabianego. Jest to najskuteczniejszy gaz ochronny stosowany w spawaniu laserowym, ale jest stosunkowo drogi. Argon jest tańszy i gęstszy, a więc zapewnia lepszą ochronę. Jednak łatwo ulega jonizacji pod wpływem plazmy metalowej o wysokiej temperaturze, osłaniając część wiązki od przedmiotu obrabianego, zmniejszając efektywną moc lasera podczas spawania, a także pogarszając prędkość spawania i penetrację. Powierzchnie spoin chronione argonem są gładsze niż te chronione helem. Azot jest najtańszym gazem ochronnym, ale nie nadaje się do niektórych rodzajów spawania stali nierdzewnej, głównie ze względu na problemy metalurgiczne, takie jak absorpcja, która czasami powoduje powstawanie porów w strefie styku.
Jako nowa technologia spawania, spawanie laserowe charakteryzuje się wysoką gęstością energii, dużą prędkością, wysoką precyzją, głęboką penetracją i dużą elastycznością. Jego zastosowanie jest coraz szersze, co może nie tylko poprawić wydajność produkcji, ale także jakość spawania. Technologia spawania laserowego z pewnością będzie odgrywać coraz ważniejszą rolę w dziedzinie obróbki materiałów.
Czas publikacji: 28 marca 2023 r.
