Spawanie laserowe
W metodzie spawania laserowego do łączenia części wykorzystywana jest skoncentrowana wiązka światła o dużej gęstości energii (średnica wiązki 0,1...2 mm). W zależności od rodzaju wiązki światła spawanie laserowe może być pulsacyjne i ciągłe. Połączenia punktowe spawane są pulsacyjnie, w przypadku szwów ciągłych stosuje się promieniowanie impulsowo-okresowe lub ciągłe. Spawanie impulsowe jest również stosowane, gdy konieczne jest zapewnienie minimalnych odkształceń od nagrzewania temperatury i wysokiej dokładności, w sposób ciągły — do spawania z dużą prędkością w produkcji seryjnej lub masowej.
Spawanie laserowe stosuje się do łączenia różnych materiałów: stali, tytanu, aluminium, metali ogniotrwałych, miedzi, stopów metali, metali szlachetnych, bimetali, o grubości od kilkudziesięciu do kilku milimetrów. Jednak spawanie laserowe metali odblaskowych, takich jak aluminium i miedź, jest dość trudne. Spawanie laserowe metali pokazano na ryc. 2.
Spawanie metali aktywnych odbywa się za pomocą gazu osłonowego w postaci strumienia skierowanego w obszar narażenia na wiązkę światła.
Zdjęcie 1 — Spawanie laserem na ciele stałym: 1 — ośrodek aktywny (rubin, granat, neodym), 2 — lampa pompy, 3 — zwierciadło nieprzezroczyste, 4 — zwierciadło półprzezroczyste, 5 — światłowód, 6 — układ optyczny, 7 — detal, 8 — wiązka laserowa w ognisku, 9, 10 — rozdzielacze wiązki laserowej.
Zdjęcie 2 — Spawalność materiałów
W zależności od głębokości penetracji istnieją trzy rodzaje spawania laserowego:
1) mikrospawanie (poniżej 100 mikronów),
2) minispawanie (0,1...1 mm),
3) spawanie makro (więcej niż 1 mm).
Ponieważ głębokość wtopienia zwykle nie przekracza 4 mm, spawanie laserowe jest szeroko stosowane głównie w produkcji narzędzi precyzyjnych, w produkcji urządzeń elektronicznych, zegarków, w budowie samolotów, w przemyśle motoryzacyjnym, przy spawaniu rur, a także ma szerokie zastosowanie w branży jubilerskiej.
Przed zgrzewaniem doczołowym i zakładkami należy zapewnić szczelinę 0,1 ... 0,2 mm. Przy dużych lukach może dojść do wypalenia i braku syntezy.
Główne parametry trybu spawania laserowego to:
1) czas trwania i energia impulsu,
2) częstotliwość tętna,
3) średnicę wiązki światła,
4) odległość od najmniejszej części skupionej wiązki do powierzchni,
5) prędkość spawania. Osiąga 5 mm/s. Aby zwiększyć prędkość, zwiększa się częstotliwość impulsów lub stosuje się tryb ciągły.
Przemysł wykorzystuje 2 rodzaje laserów do spawania laserowego:
1) na ciele stałym - lasery rubinowe, neodymowe i YAG (na bazie granatu itrowo-aluminiowego);
2) lasery gazowe CO2.
Ostatnio pojawiły się również spawarki laserowe, których elementem aktywnym jest światłowód wykonany z kwarcu.Takie lasery umożliwiają spawanie „problematycznych” materiałów — miedzi i mosiądzu o wysokim współczynniku odbicia, tytanu.
Możliwości różnych spawarek laserowych przedstawiono w tabelach 1 i 2.
Przykładowe tryby spawania laserem gazowym CO2 przedstawiono w tabeli 3.
Tabela 1 — Grubość blachy i moc lasera spawalniczego
Tabela 2 — Zastosowanie laserów
Tabela 3 — Tryby laserowego spawania doczołowego laserem gazowym
Średnica wiązki laserowej wynosi zwykle 0,3 mm. Spoiny doczołowe spawane wiązką mniejszą niż 0,3 mm mogą wykazywać brak przyczepności i brak przetopu. Spawanie laserami do 10 kW odbywa się zazwyczaj bez wypełniacza.
Ze względu na niewielką powierzchnię, na którą oddziałuje ciepło podczas spawania laserowego, spoina bardzo szybko stygnie. Może to mieć zarówno negatywne, jak i pozytywne konsekwencje dla jakości złącza spawanego. Wiele metali daje najlepsze właściwości fizyczne i mechaniczne przy szybkim schładzaniu spoin. Jednak podczas spawania stali nierdzewnej może to prowadzić do pęknięcia spoiny. Zwiększenie szerokości impulsu do 10 ms i wstępne podgrzanie pomaga wyeliminować to zjawisko.
Dzięki odpowiedniemu doborowi materiałów i trybów spawania, spawanie laserowe zapewnia spoiny najwyższej jakości.
Systemy laserowe można podzielić na 3 kategorie:
1) Urządzenia obudowy. W takich urządzeniach obrabiane przedmioty umieszczane są w specjalnej zamkniętej przestrzeni zawierającej ochronną atmosferę neutralną oraz wiązkę laserową. Spawacz może kontrolować i monitorować proces spawania za pomocą specjalnego układu optycznego.
2) Urządzenia przeznaczone do spawania na wolnym powietrzu.Wiązka laserowa ma kilka stopni swobody i wykonuje zaprogramowane ruchy. Strefa spawania jest chroniona przez przepływ gazu.
3) Urządzenia przeznaczone do ręcznego spawania laserowego. Palniki laserowe są bardzo podobne do palników spawalniczych TIG. Wiązka laserowa jest przekazywana do latarki za pomocą światłowodu. Podczas spawania spawacz trzyma w jednej ręce palnik laserowy, a w drugiej materiał dodatkowy.
Tabela 4 — Porównanie różnych rodzajów spawania laserowego
Zalety spawania laserowego to:
1) mały obszar oddziaływania termicznego wiązki laserowej na materiał i w efekcie nieznaczne odkształcenia termiczne;
2) możliwość spawania w trudno dostępnych miejscach, w środowisku transparentnym dla promieniowania laserowego (szkło, ciecze, gazy);
3) spawanie materiałów magnetycznych;
4) mała średnica wiązki światła, możliwość mikrospawania, wąska spoina o dobrych właściwościach estetycznych;
5) możliwość automatyzacji procesu;
6) elastyczne manipulowanie wiązką światła poprzez transmisję optyczną;
7) uniwersalność urządzeń laserowych (możliwość wykorzystania do spawania laserowego oraz cięcia, znakowania i wiercenia);
8) możliwość spawania różnych materiałów.
Wady spawania laserowego:
1. Wysoki koszt i złożoność sprzętu laserowego.
2. Wysokie wymagania dotyczące przygotowania, czyszczenia krawędzi spawalniczych.
3. Niemożność spawania części grubościennych, niewystarczająca moc.Zwiększenie mocy laserów spawalniczych jest ograniczone tym, że przy silniejszym oddziaływaniu wiązki laserowej na metal, jest ona aktywnie rozpraszana w strefie spawania, co uszkadza układ optyczny urządzenia i dezaktywuje laser w ciągu kilku godzin .