Lasersko varjenje je eden pomembnih vidikov uporabe laserske obdelovalne tehnologije, hkrati pa tudi najbolj privlačna in obetavna varilna tehnologija v 21. stoletju. V primerjavi s tradicionalnimi metodami varjenja ima lasersko varjenje številne prednosti, višjo kakovost varjenja in hitrejšo učinkovitost. Trenutno se tehnologija laserskega varjenja pogosto uporablja v proizvodnji, prašni metalurgiji, avtomobilski industriji, elektronski industriji, biomedicini in drugih področjih.
Glede na mehanizem nastanka varilne kadi obstajata dva osnovna načina laserskega varjenja: varjenje s toplotno prevodnostjo in varjenje z globoko penetracijo (majhne luknje). Toplota, ki nastane pri varjenju s toplotno prevodnostjo, se s prenosom toplote razprši na obdelovanec, tako da se površina zvara tali, v bistvu brez pojava uparjanja, kar se pogosto uporablja pri varjenju tankostenskih komponent pri nizki hitrosti. Globoko taljenje upari material in tvori veliko količino plazme. Zaradi velike toplote se na sprednjem koncu staljene kadi pojavijo luknje. Globoko penetracijo je mogoče obdelovanec temeljito zvariti, vhodna energija pa je velika, hitrost varjenja pa je visoka in je najpogosteje uporabljen način laserskega varjenja.
Na kakovost laserskega varjenja vpliva veliko procesnih parametrov, kot so gostota moči, valovna oblika laserskega impulza, defokusiranje, hitrost varjenja in pomožni vpihovalni plin.
1. Gostota moči laserja Gostota moči je eden najpomembnejših parametrov pri laserski obdelavi. Pri višji gostoti moči se lahko površinska plast segreje do vrelišča v mikrosekundnem časovnem območju, kar povzroči veliko količino izhlapevanja. Zato je visoka gostota moči zelo ugodna za obdelavo odstranjevanja materiala, kot so prebijanje, rezanje in graviranje. Pri nizki gostoti moči traja nekaj milisekund, da površinska temperatura doseže vrelišče, in preden površinska plast upari, spodnja plast doseže tališče, kar omogoča dober talilni spoj. Zato je pri laserskem varjenju s toplotno prevodnostjo gostota moči v območju 104–106 W/cm2.
2. Valovna oblika laserskega impulza
Oblika laserskega impulza ni le pomemben parameter za razlikovanje med odstranjevanjem materiala in taljenjem materiala, temveč tudi ključni parameter za določanje količine in stroškov procesne opreme. Ko visokointenzivni laserski žarek usmeri na površino materiala, se od površine materiala odbije in izgubi 60–90 % laserske energije, zlasti pri zlatu, srebru, bakru, aluminiju, titanu in drugih materialih, kar povzroči močan odboj in hiter prenos toplote. Odbojnost kovine se med laserskim impulznim signalom sčasoma spreminja. Ko se temperatura površine materiala dvigne na tališče, se odbojnost hitro zmanjša, ko pa je površina v talilnem stanju, se odbojnost stabilizira na določeni vrednosti.
3. Širina impulza Širina impulza je pomemben parameter impulznega laserskega varjenja. Širino impulza določata globina penetracije in območje toplotnega vpliva. Daljša kot je širina impulza, večje je območje toplotnega vpliva, globina penetracije pa se povečuje s polovično močjo širine impulza. Vendar pa povečanje širine impulza zmanjša največjo moč, zato se povečanje širine impulza običajno uporablja za varjenje s toplotno prevodnostjo, kar ima za posledico širok in plitev zvar, še posebej primeren za prekrivajoče varjenje tankih in debelih plošč. Vendar pa nižja največja moč povzroči prekomerno vnos toplote, vsak material pa ima optimalno širino impulza, ki maksimizira penetracijo.
4, lasersko varjenje z defokusiranjem običajno zahteva določeno stopnjo defokusiranja, ker je gostota moči laserskega žarka v središču točke previsoka in se zlahka izhlapi v luknje. Porazdelitev gostote moči je v vsaki ravnini, stran od laserskega žarišča, relativno enakomerna. Obstajata dve metodi defokusiranja: pozitivna in negativna defokusiranja. Če se goriščna ravnina nahaja nad obdelovancem, gre za pozitivno defokusiranje, sicer pa za negativno defokusiranje. V skladu s teorijo geometrijske optike je gostota moči na ustrezni ravnini približno enaka, ko je razdalja med pozitivno in negativno defokusirajočo ravnino ter ravnino varjenja enaka, vendar je dejanska oblika zvarne talilne kopeli drugačna. V primeru negativne defokusiranja je mogoče doseči večjo penetracijo, kar je povezano s procesom nastajanja staljene talilne kopeli.
5, hitrost varjenja Hitrost varjenja določa kakovost varjene površine, penetracijo, območje vpliva toplote itd. Hitrost varjenja vpliva na dovod toplote na enoto časa. Če je hitrost varjenja prepočasna, je dovod toplote prevelik, kar povzroči, da obdelovanec pregori. Če je hitrost varjenja prehitra, je dovod toplote premajhen, kar povzroči, da obdelovanec ne postane moten. Zmanjšanje hitrosti varjenja se običajno uporablja za izboljšanje penetracije.
6, vpihovanje pomožnega zaščitnega plina Vpihovanje pomožnega zaščitnega plina je bistven postopek pri visokozmogljivem laserskem varjenju. Po eni strani preprečuje razprševanje kovinskih materialov in onesnaževanje fokusirnega zrcala; po drugi strani pa preprečuje, da bi se plazma, ki nastane med varjenjem, preveč fokusirala in preprečila, da bi laser dosegel površino materiala. Pri laserskem varjenju se za zaščito staljene kadi pogosto uporabljajo helij, argon, dušik in drugi plini, da se obdelovanec zaščiti pred oksidacijo v varilni tehniki. Dejavniki, kot so vrsta zaščitnega plina, velikost zračnega toka in kot vpihovanja, močno vplivajo na rezultat varjenja. Različne metode vpihovanja imajo tudi določen vpliv na kakovost varjenja.
Helij se ne ionizira zlahka (ima visoko ionizacijsko energijo), kar omogoča nemoten prehod laserja in neoviran doseg energije žarka površine obdelovanca. To je najučinkovitejši zaščitni plin, ki se uporablja pri laserskem varjenju, vendar je cena relativno visoka. Argon je cenejši in gostejši, zato ima boljšo zaščito. Vendar pa ga visokotemperaturna kovinska plazma zlahka ionizira, s čimer zaščiti del žarka pred obdelovancem, kar zmanjša efektivno lasersko moč varjenja, hkrati pa poškoduje hitrost varjenja in penetracijo. Površine zvarov, zaščitene z argonom, so bolj gladke kot tiste, zaščitene s helijem. Dušik je kot zaščitni plin najcenejši, vendar ni primeren za nekatere vrste varjenja nerjavnega jekla, predvsem zaradi metalurških težav, kot je absorpcija, ki včasih ustvari pore v območju prekrivanja.
Kot nova tehnologija varjenja ima lasersko varjenje značilnosti visoke gostote energije, visoke hitrosti, visoke natančnosti, globoke penetracije in velike prilagodljivosti. Njegova uporaba je vse širša, kar lahko ne le izboljša učinkovitost proizvodnje, temveč tudi izboljša kakovost varjenja. Tehnologija laserskega varjenja bo zagotovo igrala pomembnejšo vlogo na področju obdelave materialov.
Čas objave: 28. marec 2023
