Laserové zváranie je jedným z dôležitých aspektov aplikácie laserovej technológie spracovania, ale zároveň najzaujímavejšou a najsľubnejšou technológiou zvárania v 21. storočí. V porovnaní s tradičnými metódami zvárania má laserové zváranie mnoho výhod, vyššiu kvalitu zvárania a rýchlejšiu účinnosť. V súčasnosti sa technológia laserového zvárania široko používa vo výrobe, práškovej metalurgii, automobilovom priemysle, elektronickom priemysle, biomedicíne a ďalších oblastiach.
Podľa mechanizmu tvorby zváracieho kúpeľa má laserové zváranie dva základné mechanizmy zvárania: tepelné vedenie a zváranie hlbokým prevarením (zváranie s malými otvormi). Teplo generované tepelným vedením sa rozptyľuje k obrobku prenosom tepla, takže povrch zvaru sa roztaví, v podstate nedochádza k javu odparovania, čo sa často používa pri zváraní nízkorýchlostných tenkostenných komponentov. Hlboké tavné zváranie odparuje materiál a vytvára veľké množstvo plazmy. V dôsledku veľkého tepla sa na prednom konci roztaveného kúpeľa vytvoria otvory. Hlboké prevarenie dokáže dôkladne zvariť obrobok a vstupná energia je veľká, rýchlosť zvárania je vysoká, čo je najpoužívanejší režim laserového zvárania.
Kvalitu laserového zvárania ovplyvňuje mnoho procesných parametrov, ako napríklad hustota výkonu, priebeh laserového impulzu, rozostrenie, rýchlosť zvárania a pomocný vháňací plyn.
1. Hustota výkonu laseru Hustota výkonu je jedným z najdôležitejších parametrov pri laserovom spracovaní. Pri vyššej hustote výkonu sa povrchová vrstva môže zahriať na bod varu v priebehu mikrosekúnd, čo spôsobuje veľké množstvo odparovania. Preto je vysoká hustota výkonu veľmi výhodná pri odoberaní materiálu, ako je dierovanie, rezanie a gravírovanie. Pri nízkej hustote výkonu trvá niekoľko milisekúnd, kým povrchová teplota dosiahne bod varu, a skôr ako sa povrchová vrstva odparí, spodná vrstva dosiahne bod topenia, čo umožňuje ľahké vytvorenie dobrého tavného zvaru. Preto je pri tepelne vodivom laserovom zváraní rozsah hustoty výkonu 104 – 106 W/cm2.
2. Priebeh laserového impulzu
Tvar vlny laserového impulzu nie je len dôležitým parametrom na rozlíšenie odoberania materiálu od tavenia materiálu, ale aj kľúčovým parametrom na určenie objemu a nákladov na spracovateľské zariadenie. Keď laserový lúč s vysokou intenzitou dopadne na povrch materiálu, povrch materiálu odrazí a stratí 60 ~ 90 % laserovej energie, najmä zlato, striebro, meď, hliník, titán a ďalšie materiály majú silný odraz a rýchly prenos tepla. Odrazivosť kovu sa mení s časom počas pôsobenia laserového impulzného signálu. Keď povrchová teplota materiálu stúpne na bod topenia, odrazivosť rýchlo klesá a keď je povrch v stave topenia, odrazivosť sa stabilizuje na určitej hodnote.
3. Šírka impulzu Šírka impulzu je dôležitým parametrom pulzného laserového zvárania. Šírka impulzu bola určená hĺbkou prieniku a tepelne ovplyvnenou zónou. Čím dlhšia je šírka impulzu, tým väčšia je tepelne ovplyvnená zóna a hĺbka prieniku sa zvyšuje s polovičným výkonom šírky impulzu. Zvýšenie šírky impulzu však zníži špičkový výkon, preto sa zvýšenie šírky impulzu všeobecne používa pri tepelnovodivom zváraní, čo vedie k širokému a plytkému zvaru, obzvlášť vhodnému na preplátované zváranie tenkých a hrubých plechov. Nižší špičkový výkon však vedie k nadmernému prívodu tepla a každý materiál má optimálnu šírku impulzu, ktorá maximalizuje prienik.
4. Zváranie laserom s rozostrením si zvyčajne vyžaduje určité rozostrenie, pretože hustota výkonu laserového bodu v strede bodu je príliš vysoká a ľahko sa odparí do otvorov. Rozloženie hustoty výkonu je relatívne rovnomerné v každej rovine mimo laserového ohniska. Existujú dve metódy rozostrenia: pozitívne rozostrenie a negatívne rozostrenie. Ak sa ohnisková rovina nachádza nad obrobkom, ide o pozitívne rozostrenie, inak o negatívne rozostrenie. Podľa teórie geometrickej optiky, keď je vzdialenosť medzi pozitívnou a negatívnou rovinou rozostrenia a rovinou zvárania rovnaká, hustota výkonu v zodpovedajúcej rovine je približne rovnaká, ale skutočný tvar zvarového kúpeľa je odlišný. V prípade negatívneho rozostrenia je možné dosiahnuť väčšiu penetráciu, čo súvisí s procesom tvorby roztaveného kúpeľa.
5, rýchlosť zvárania Rýchlosť zvárania určuje kvalitu zvarového povrchu, penetráciu, tepelne ovplyvnenú zónu atď. Rýchlosť zvárania ovplyvňuje príkon tepla za jednotku času. Ak je rýchlosť zvárania príliš pomalá, príkon tepla je príliš veľký, čo vedie k prepáleniu obrobku. Ak je rýchlosť zvárania príliš vysoká, príkon tepla je príliš malý, čo vedie k nepriehľadnému zvareniu obrobku. Zníženie rýchlosti zvárania sa zvyčajne používa na zlepšenie penetrácie.
6, pomocné vháňanie ochranného plynu Pomocné vháňanie ochranného plynu je nevyhnutným procesom pri vysokovýkonnom laserovom zváraní. Na jednej strane zabraňuje rozprašovaniu kovových materiálov a znečisťovaniu zaostrovacieho zrkadla; na druhej strane zabraňuje prílišnému zaostrovaniu plazmy generovanej počas zvárania a zabraňuje dosiahnutiu laserového lúča povrchu materiálu. Pri laserovom zváraní sa hélium, argón, dusík a iné plyny často používajú na ochranu roztaveného kúpeľa, aby sa obrobok chránil pred oxidáciou v zváracej technike. Faktory, ako je typ ochranného plynu, veľkosť prúdu vzduchu a uhol vháňania, majú veľký vplyv na výsledok zvárania. Rôzne metódy vháňania majú tiež určitý vplyv na kvalitu zvárania.
Hélium sa ľahko neionizuje (má vysokú ionizačnú energiu), čo umožňuje laseru plynulý prechod a energiu lúča bez prekážok dosiahnuť povrch obrobku. Je to najúčinnejší ochranný plyn používaný pri laserovom zváraní, ale jeho cena je relatívne vysoká. Argón je lacnejší a hustejší, takže má lepšiu ochranu. Ľahko sa však ionizuje vysokoteplotnou kovovou plazmou, čím sa časť lúča odtieni od obrobku, čím sa znižuje efektívny laserový výkon zvárania, ale tiež sa poškodzuje rýchlosť zvárania a penetrácia. Povrchy zvarov chránené argónom sú hladšie ako povrchy chránené héliom. Dusík je ako ochranný plyn najlacnejší, ale nie je vhodný pre niektoré typy zvárania nehrdzavejúcej ocele, najmä kvôli metalurgickým problémom, ako je absorpcia, ktorá niekedy vytvára póry v zóne prekrytia.
Ako nová technológia zvárania sa laserové zváranie vyznačuje vysokou hustotou energie, vysokou rýchlosťou, vysokou presnosťou, hlbokým prienikom a vysokou prispôsobivosťou. Jeho uplatnenie je čoraz rozsiahlejšie, čo môže nielen zlepšiť efektivitu výroby, ale aj zlepšiť kvalitu zvárania. Technológia laserového zvárania bude určite zohrávať dôležitejšiu úlohu v oblasti spracovania materiálov.
Čas uverejnenia: 28. marca 2023
