Основы лазерной сварки
Лазерная сварка — бесконтактный процесс, требующий доступа к зоне сварки с одной стороны свариваемых деталей.
• Сварной шов формируется за счет быстрого нагрева материала интенсивным лазерным лучом — обычно этот процесс занимает миллисекунды.
• Обычно существует 3 типа сварных швов:
– Режим проводимости.
– Режим проводимости/проникновения.
– Режим проникновения или замочной скважины.
• Сварка в режиме проводимости выполняется при низкой плотности энергии, образуя неглубокое и широкое сварное ядро.
• Режим проводимости/проникновения происходит при средней плотности энергии и демонстрирует большую проникающую способность, чем режим проводимости.
• Сварка методом проплавления или сварки в замочную скважину характеризуется глубокими узкими швами.
– В этом режиме лазерный луч образует нить испаренного материала, известную как «замочная скважина», которая проникает в материал и обеспечивает канал для эффективной доставки лазерного луча в материал.
– Такая прямая доставка энергии в материал не зависит от проводимости для достижения проникновения, и поэтому минимизирует нагрев материала и уменьшает зону теплового воздействия.
Кондукторная сварка
• Соединение проводимости описывает семейство процессов, в которых фокусируется лазерный луч:
– Обеспечить плотность мощности порядка 10³ Вт/мм⁻²
– Он сплавляет материал, создавая соединение без значительного испарения.
• Кондуктивная сварка имеет 2 режима:
– Прямой нагрев
– Передача энергии.
Прямой нагрев
• При прямом нагреве,
– тепловой поток регулируется классической теплопроводностью от поверхностного источника тепла, а сварной шов выполняется путем расплавления частей основного материала.
• Первые сварные швы с токопроводностью были выполнены в начале 1-х годов с использованием маломощных импульсных рубиновых и CO2 лазеры для соединителей проводов.
• Кондуктивную сварку можно выполнять из широкого спектра металлов и сплавов в виде проволоки и тонких листов в различных конфигурациях с использованием.
– CO2 , Nd:YAG и диодные лазеры с уровнями мощности порядка десятков ватт.
– Прямой нагрев с помощью CO2 Лазерный луч также можно использовать для сварки внахлест и стыковых швов полимерных листов.
Трансмиссионная сварка
• Просвечивающая сварка является эффективным способом соединения полимеров, пропускающих ближнее инфракрасное излучение Nd:YAG и диодных лазеров.
• Энергия поглощается с помощью новых методов граничного поглощения.
• Композиты можно соединять при условии, что тепловые свойства матрицы и арматуры одинаковы.
• Режим передачи энергии при кондуктивной сварке используется с материалами, пропускающими ближнее инфракрасное излучение, в частности с полимерами.
• На интерфейс нахлесточного соединения наносится поглощающая краска. Краска поглощает энергию лазерного луча, которая передается в ограниченную толщину окружающего материала, образуя расплавленную граничную пленку, которая затвердевает в виде сварного соединения.
• Нахлесточные соединения толстостенных деталей можно выполнять без расплавления внешних поверхностей соединения.
• Стыковые сварные швы можно выполнять, направляя энергию к линии стыка под углом через материал с одной стороны стыка или с одного конца, если материал обладает высокой пропускающей способностью.
Лазерная пайка и пайка мягким припоем
• В процессах лазерной пайки луч используется для расплавления присадочной добавки, которая смачивает края соединения, не расплавляя при этом основной материал.
• Лазерная пайка начала приобретать популярность в начале 1980-х годов для соединения выводов электронных компонентов через отверстия в печатных платах. Параметры процесса определяются свойствами материала.
Проникающая лазерная сварка
• При высокой плотности мощности все материалы испаряются, если энергия может быть поглощена. Таким образом, при сварке таким способом отверстие обычно образуется за счет испарения.
• Затем это «отверстие» прорезается через материал, а расплавленные стенки запечатываются за ним.
• Результатом является так называемый «шов с замочной скважиной». Он характеризуется параллельной зоной сплавления и узкой шириной.
Эффективность лазерной сварки
• Термин, определяющий эту концепцию эффективности, известен как «эффективность объединения».
• Эффективность соединения не является истинной эффективностью, поскольку она имеет единицы (мм2 соединено/кДж подано).
– КПД=Vt/P (величина, обратная удельной энергии резки), где V = скорость перемещения, мм/с; t = толщина свариваемого материала, мм; P = падающая мощность, кВт.
Эффективность соединения
• Чем выше значение КПД соединения, тем меньше энергии тратится на ненужный нагрев.
– Нижняя зона термического влияния (ЗТВ).
– Меньше искажений.
• Контактная сварка наиболее эффективна в этом отношении, поскольку энергия плавления и зоны термического влияния генерируется только на свариваемом высокоомном интерфейсе.
• Лазер и электронный луч также имеют хорошую эффективность и высокую плотность мощности.
Изменения процесса
• Дуговая лазерная сварка.
– Дуга от горелки TIG, установленной вблизи точки взаимодействия лазерного луча, автоматически зафиксируется на горячей точке, созданной лазером.
– Температура, необходимая для этого явления, примерно на 300°C выше температуры окружающей среды.
– Эффект заключается либо в стабилизации дуги, которая нестабильна из-за скорости ее перемещения, либо в уменьшении сопротивления дуги, которая стабильна.
– Блокировка происходит только для дуг с малым током и, следовательно, медленной катодной струей, то есть для токов менее 80 А.
– Дуга находится на той же стороне заготовки, что и лазер, что позволяет удвоить скорость сварки при умеренном увеличении капитальных затрат.
• Двухлучевая лазерная сварка
– При одновременном использовании двух лазерных лучей появляется возможность контролировать геометрию сварочной ванны и форму сварного шва.
– Используя 2 электронных луча, можно стабилизировать замочную скважину, что приводит к уменьшению волн в сварочной ванне и обеспечивает лучшее проплавление и форму шва.
– Эксимер и CO2 Комбинация лазерных лучей показала, что можно добиться улучшенного сцепления при сварке материалов с высокой отражательной способностью, таких как алюминий или медь.
– Улучшение связи рассматривалось в основном за счет:
• изменение отражательной способности за счет поверхностной ряби, вызванной эксимерами.
• вторичный эффект, возникающий в результате взаимодействия через плазму, генерируемую эксимерами.
