Лазерне зварювання є одним із важливих аспектів застосування технології лазерної обробки, а також найпривабливішою та найперспективнішою технологією зварювання у 21 столітті. Порівняно з традиційними методами зварювання, лазерне зварювання має багато переваг, вищу якість зварювання та вищу ефективність. Наразі технологія лазерного зварювання широко використовується у виробництві, порошковій металургії, автомобільній промисловості, електронній промисловості, біомедицині та інших галузях.
Відповідно до механізму утворення зварювальної ванни, лазерне зварювання має два основні механізми зварювання: теплопровідне зварювання та зварювання глибоким проникненням (з малими отворами). Тепло, що генерується теплопровідним зварюванням, розсіюється до заготовки шляхом теплопередачі, так що поверхня зварного шва плавиться, практично без явища випаровування, що часто використовується при зварюванні низькошвидкісних тонкостінних компонентів. Зварювання глибоким плавленням випаровує матеріал та утворює велику кількість плазми. Через велике тепло на передньому кінці розплавленої ванни утворюються отвори. Зварювання глибоким проникненням може ретельно зварити заготовку, а вхідна енергія велика, швидкість зварювання висока, що є найпоширенішим режимом лазерного зварювання.
Існує багато параметрів процесу, що впливають на якість лазерного зварювання, такі як щільність потужності, форма хвилі лазерного імпульсу, розфокусування, швидкість зварювання та допоміжний газ для продувки.
1. Густина потужності лазера Густина потужності є одним з найважливіших параметрів лазерної обробки. Завдяки вищій густині потужності поверхневий шар може нагріватися до точки кипіння протягом мікросекундного часу, що призводить до значного випаровування. Тому висока густина потужності є дуже вигідною для обробки видалення матеріалу, такої як штампування, різання та гравірування. При низькій густині потужності температура поверхні досягає точки кипіння протягом кількох мілісекунд, а перед тим, як поверхневий шар випарується, нижній шар досягає точки плавлення, що дозволяє легко утворити хороше зварювання плавленням. Тому при лазерному зварюванні теплопровідністю діапазон густини потужності становить 104-106 Вт/см2.
2. Форма хвилі лазерного імпульсу
Форма хвилі лазерного імпульсу є не лише важливим параметром для розрізнення видалення матеріалу від плавлення матеріалу, але й ключовим параметром для визначення обсягу та вартості обробного обладнання. Коли лазерний промінь високої інтенсивності потрапляє на поверхню матеріалу, поверхня матеріалу відбиває та втрачає 60~90% лазерної енергії, особливо це стосується золота, срібла, міді, алюмінію, титану та інших матеріалів, що забезпечує сильне відбиття та швидку теплопередачу. Коефіцієнт відбиття металу змінюється з часом під час дії лазерного імпульсного сигналу. Коли температура поверхні матеріалу підвищується до точки плавлення, коефіцієнт відбиття швидко зменшується, а коли поверхня перебуває в стані плавлення, коефіцієнт відбиття стабілізується на певному значенні.
3. Ширина імпульсу Ширина імпульсу є важливим параметром імпульсного лазерного зварювання. Ширина імпульсу визначалася глибиною проникнення та зоною термічного впливу. Чим довша ширина імпульсу, тим більша зона термічного впливу, а глибина проникнення збільшувалася з половинною потужністю ширини імпульсу. Однак збільшення ширини імпульсу зменшує пікову потужність, тому збільшення ширини імпульсу зазвичай використовується для теплопровідного зварювання, що призводить до широкого та неглибокого розміру зварного шва, особливо придатного для зварювання внахлест тонких і товстих пластин. Однак нижча пікова потужність призводить до надмірного підведення тепла, і кожен матеріал має оптимальну ширину імпульсу, яка максимізує проникнення.
4. Розфокусоване лазерне зварювання зазвичай вимагає певної дефокусування, оскільки щільність потужності лазерного фокуса в центрі плями занадто висока, що легко призводить до випаровування в отвори. Розподіл щільності потужності відносно рівномірний у кожній площині, подалі від лазерного фокуса. Існує два методи розфокусування: позитивне розфокусування та негативне розфокусування. Якщо фокальна площина розташована над заготовкою, це позитивне розфокусування; в іншому випадку - негативне розфокусування. Згідно з теорією геометричної оптики, коли відстань між позитивною та негативною площинами розфокусування та площиною зварювання однакова, щільність потужності на відповідній площині приблизно однакова, але фактична форма отриманої зварювальної ванни відрізняється. У випадку негативного розфокусування можна отримати більше проплавлення, що пов'язано з процесом утворення розплавленої ванни.
5, швидкість зварювання. Швидкість зварювання визначає якість поверхні зварювання, проникнення, зону термічного впливу тощо. Швидкість зварювання впливатиме на підведення тепла за одиницю часу. Якщо швидкість зварювання занадто низька, підведення тепла занадто велике, що призводить до прогорання заготовки. Якщо швидкість зварювання занадто висока, підведення тепла занадто мале, що призводить до непрозорого зварювання заготовки. Зменшення швидкості зварювання зазвичай використовується для покращення проникнення.
6. Допоміжне продування захисним газом Допоміжне продування захисним газом є важливим процесом у потужному лазерному зварюванні. З одного боку, воно запобігає розпиленню металевих матеріалів та забрудненню фокусуючого дзеркала; з іншого боку, воно запобігає надмірному фокусуванню плазми, що утворюється в процесі зварювання, та запобігає досягненню лазером поверхні матеріалу. У процесі лазерного зварювання гелій, аргон, азот та інші гази часто використовуються для захисту розплавленої ванни, щоб захистити заготовку від окислення в зварювальній техніці. Такі фактори, як тип захисного газу, величина потоку повітря та кут продування, мають великий вплив на результат зварювання. Різні методи продування також мають певний вплив на якість зварювання.
Гелій нелегко іонізується (він має високу енергію іонізації), що дозволяє лазеру проходити плавно, а енергії променя безперешкодно досягати поверхні заготовки. Це найефективніший захисний газ, що використовується в лазерному зварюванні, але ціна його відносно висока. Аргон дешевший і щільніший, тому він має кращий захист. Однак він легко іонізується високотемпературною металевою плазмою, таким чином екрануючи частину променя від заготовки, зменшуючи ефективну потужність лазера зварювання, а також погіршуючи швидкість зварювання та проникнення. Поверхні зварних швів, захищені аргоном, гладкіші, ніж ті, що захищені гелієм. Азот є найдешевшим захисним газом, але він не підходить для деяких видів зварювання нержавіючої сталі, головним чином через металургійні проблеми, такі як абсорбція, яка іноді створює пори в зоні нахлесту.
Як нова технологія зварювання, лазерне зварювання характеризується високою щільністю енергії, високою швидкістю, високою точністю, глибоким проникненням та високою адаптивністю. Його застосування дедалі ширше, що може не тільки підвищити ефективність виробництва, але й покращити якість зварювання. Технологія лазерного зварювання, безумовно, відіграватиме дедалі важливішу роль у сфері обробки матеріалів.
Час публікації: 28 березня 2023 р.
