Osnove laserskega varjenja
Lasersko varjenje je brezkontaktni postopek, ki zahteva dostop do varilnega območja z ene strani varjenih delov.
• Zvar nastane, ko intenzivna laserska svetloba hitro segreje material – običajno se izračuna v milisekundah.
• Običajno obstajajo 3 vrste zvarov:
– Način prevodnosti.
– Način prevodnosti/penetracije.
– Način penetracije ali ključavnice.
• Varjenje s prevodnim načinom se izvaja pri nizki gostoti energije, pri čemer nastane plitvo in široko varilno zrno.
• Prevodni/penetracijski način se pojavi pri srednji gostoti energije in kaže večjo penetracijo kot prevodni način.
• Za varjenje s prebadanjem ali varjenje s ključavnico so značilni globoki ozki zvari.
– V tem načinu laserska svetloba tvori nit uparjenega materiala, znano kot »ključavnična luknja«, ki se razteza v material in zagotavlja kanal za učinkovito dovajanje laserske svetlobe vanj.
– Ta neposredna dostava energije v material ne temelji na prevodnosti za dosego penetracije, zato se toplota v materialu zmanjša in območje vpliva toplote zmanjša.
Prevodno varjenje
• Prevodno spajanje opisuje družino procesov, pri katerih je laserski žarek fokusiran:
– Za doseganje gostote moči reda velikosti 10³ Wmm⁻²
– Zliva material in ustvarja spoj brez večjega izhlapevanja.
• Kondukcijsko varjenje ima 2 načina:
– Neposredno ogrevanje
– Prenos energije.
Neposredna toplota
• Med neposrednim segrevanjem,
– toplotni tok je odvisen od klasične toplotne prevodnosti površinskega vira toplote, zvar pa nastane s taljenjem delov osnovnega materiala.
• Prvi prevodni varilni zvari so bili narejeni v zgodnjih šestdesetih letih prejšnjega stoletja, uporabljena je bila nizkoenergijska pulzna rubinska in CO2 laserji za žične konektorje.
• Prevodni zvari se lahko izvedejo iz široke palete kovin in zlitin v obliki žic in tankih pločevin v različnih konfiguracijah.
- CO2 , Nd:YAG in diodni laserji z močjo v nekaj deset vatih.
– Neposredno ogrevanje z CO2 Laserski žarek se lahko uporablja tudi za prekrivajoče in sočelne vare v polimernih ploščah.
Varjenje s prenosom
• Transmisijsko varjenje je učinkovit način spajanja polimerov, ki prepuščajo bližnje infrardeče sevanje Nd:YAG in diodnih laserjev.
• Energija se absorbira z novimi metodami medfazne absorpcije.
• Kompozite je mogoče spajati, če so toplotne lastnosti matrice in armature podobne.
• Način prenosa energije pri kondukcijskem varjenju se uporablja pri materialih, ki prepuščajo bližnje infrardeče sevanje, zlasti pri polimerih.
• Na stik prekrivnega spoja se nanese vpojno črnilo. Črnilo absorbira energijo laserskega žarka, ki se nato prenese v omejeno debelino okoliškega materiala in tvori staljeni film na površini, ki se strdi kot varjeni spoj.
• Debele prekrivajoče spoje je mogoče izdelati brez taljenja zunanjih površin spoja.
• Čelne vare je mogoče izvesti tako, da se energija usmeri proti liniji spoja pod kotom skozi material na eni strani spoja ali z enega konca, če je material zelo prepusten.
Lasersko spajkanje in trdo spajkanje
• Pri postopkih laserskega spajkanja in trdega spajkanja se žarek uporablja za taljenje polnila, ki zmoči robove spoja, ne da bi pri tem stalil osnovni material.
• Lasersko spajkanje je začelo pridobivati na priljubljenosti v zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja za spajanje vodnikov elektronskih komponent skozi luknje v tiskanih vezjih. Procesne parametre določajo lastnosti materiala.
Penetracijsko lasersko varjenje
• Pri visokih gostotah moči bodo vsi materiali izhlapevali, če se energija lahko absorbira. Zato pri varjenju na ta način običajno nastane luknja zaradi izhlapevanja.
• Ta "luknja" se nato prečka skozi material, staljene stene pa se za njo zatesnijo.
• Rezultat je tako imenovani "var ključavnične luknje". Zanj je značilno vzporedno stransko območje taljenja in ozka širina.
Učinkovitost laserskega varjenja
• Izraz, ki opredeljuje ta koncept učinkovitosti, je znan kot »učinkovitost združevanja«.
• Izkoristek spajanja ni pravi izkoristek, saj se meri v enotah (mm2 spajanja /kJ dovajanja).
– Izkoristek = Vt/P (recirkulirana vrednost specifične energije pri rezanju), kjer je V = hitrost premikanja, mm/s; t = debelina varjenega materiala, mm; P = vpadna moč, kW.
Učinkovitost združevanja
• Višja kot je vrednost učinkovitosti spajanja, manj energije se porabi za nepotrebno segrevanje.
– Spodnja cona vpliva toplote (HAZ).
– Manjše popačenje.
• Uporovno varjenje je v tem pogledu najučinkovitejše, ker se energija taljenja in HAZ ustvarja le na visoko uporovnem vmesniku, ki ga je treba variti.
• Laserski in elektronski žarek imata tudi dobre izkoristke in visoko gostoto moči.
Različice procesa
• Obločno lasersko varjenje.
– Oblok iz TIG gorilnika, nameščenega blizu točke interakcije laserskega žarka, se bo samodejno zaklenil na lasersko ustvarjeno vročo točko.
– Za ta pojav je potrebna temperatura, ki je približno 300 °C višja od temperature okolice.
– Učinek je bodisi stabilizacija loka, ki je zaradi hitrosti premikanja nestabilen, bodisi zmanjšanje upora stabilnega loka.
– Zaklepanje se zgodi le pri oblokih z nizkim tokom in zato počasnim katodnim curkom, torej pri tokovih, manjših od 80 A.
– Oblok je na isti strani obdelovanca kot laser, kar omogoča podvojitev hitrosti varjenja za zmerno povečanje kapitalskih stroškov.
• Dvožarkovno lasersko varjenje
– Če se hkrati uporabljata 2 laserska žarka, obstaja možnost nadzora geometrije varilne talilne in oblike varilne kroglice.
– Z uporabo dveh elektronskih žarkov je bilo mogoče stabilizirati ključavnico, kar je povzročilo manj valov na varilni talini in zagotovilo boljšo penetracijo in obliko zvara.
– Eksimer in CO2 Kombinacija laserskih žarkov je pokazala izboljšano sklopitev za varjenje materialov z visoko odbojnostjo, kot sta aluminij ali baker.
– Izboljšana sklopitev je bila upoštevana predvsem zaradi:
• spreminjanje odbojnosti zaradi valovanja površine, ki ga povzroča eksimer.
• sekundarni učinek, ki nastane zaradi sklopitve skozi plazmo, ki jo generira eksimer.
