Obsah
Show
1. Přehled technologie svařování laseru
1.1 Definice laserového svařování
Laserové svařování je proces spojování materiálu s vysokou přesností, který používá koncentrovaný laserový paprsek k roztavení a pojistce materiálů, vytváření silného, odolné vazby.
Tato technologie přeměňuje elektrickou energii na zaostřený světelný paprsek - vlnová délka od 1060 nm (vláknité lasery) do 10 600 nm (Co₂ lasery)—Ko které přenáší intenzivní teplo na obrobku, Povolení lokalizovaného tání bez rozšířeného tepelného zkreslení.
Na rozdíl od tradičních metod svařování (např., MĚ, Tig), Laserové svařování se opírá o optické systémy, aby paprsek nasměroval, umožňující přesnou kontrolu nad vstupem energie.
Díky tomu je ideální pro připojení tenkých listů, mikro-složky, a odlišné materiály, s aplikacemi překlenujícími automobilový průmysl, kosmonautika, elektronika, a zdravotnické prostředky.
1.2 Rozvoj pozadí a důležitosti
- Historické milníky:
- 1960s: První laserové svary byly provedeny pomocí rubínových laserů, Ačkoli omezená síla a spolehlivost omezená průmyslová použití.
- 1970s: Co₂ lasery (10KW Power) Povoleno hluboké svařování penetrace silné oceli, Označení prvního hlavního průmyslového adopce.
- 2000s: Vláknité lasery revolucionizovaly pole s 30–40% energetickou účinností, Kompaktní design, a kvalita lepšího paprsku, Snížení provozních nákladů 50% ve srovnání se systémy CO₂.
- Průmyslový význam:
- Umožňuje hromadnou výrobu lehké, Komponenty s vysokou pevností v elektrických vozidlech (EV) a letadlo.
- Usnadňuje miniaturizaci v elektronice, například svařování drátů o tloušťce 50 μm v mikročipech.
- Podporuje udržitelnou výrobu prostřednictvím snížené spotřeby materiálu a energie.
1.3 Základní výhody
| Výhoda | Technický základ | Praktický dopad |
|---|---|---|
| Přesnost | Průměr paprsku je malý jako 10 μm; Tolerance ± 0,02 mm. | Kritické pro letecké spojovací prostředky a lékařské stenty. |
| Rychlost | Svařování urychluje až 15 m/min pro 1 mm hliníku. | Snižuje doby cyklu v sestavení automobilového průmyslu. |
| Materiálová všestrannost | Spojuje ocel, hliník, měď, titan, a plasty. | Umožňuje odlišné spojení materiálu (např., ocel na hliník). |
| Minimální HAZ | Lokalizovaný vstup tepla; HAZ <0.2mm pro tenké listy. | Zachovává materiálové vlastnosti ve slitinách citlivých na teplo. |
2. Základní principy laserového svařování
2.1 Fyzikální vlastnosti laserů
Lasery použité při svařování sdílejí tyto klíčové vlastnosti:
- Monochromatičnost: Světlo s jednou vlnovou délkou energeticky účinně koncentruje energii.
- Prostorová koherence: Zaostření s pevným paprskem poskytuje vysokou hustotu energie (Až 10⁶ - 10 ⁸ w/cm²).
- Směrovost: Nízká divergence zajišťuje konzistentní dodávání energie nad vzdáleností.
- Rozsah vlnových délek: Co₂ lasery (~ 10,6 µm), Nd:Yag (~ 1,06 µm), a lasery vlákna/diskové (~ 1,07 µm) Nabízejí kompromisy v absorpci, účinnost, a kvalita paprsku.
2.2 Fyzický mechanismus procesu svařování
- Vstřebávání: Povrch materiálu absorbuje laserovou energii, zvyšování teploty.
- Tání: Lokalizované tání tvoří malý svařovací bazén.
- Formace klíčové dírky (Režim penetrace): Při vysoké hustotě energie, odpařování vytváří dutinu ("klíčová dírka") To zachycuje laserové světlo, řídit hlubokou pronikání.
- Dynamika taveniny: Kolem klíčové dírky řídí roztavený kovový tok.
- Tuhnutí: Jak se paprsek pohybuje, Kovové chlazení a ztuhnutí, Formování švu svaru.
2.3 Klasifikace režimů svařování
| Režim | Profil paprsku | Hloubka penetrace | Klíčové vlastnosti |
|---|---|---|---|
| Vedení | Nízká hustota energie CW | Mělký (<1 mm) | Široká zóna postižená teplem, Jednoduché nastavení |
| Penetrace (Klíčová dírka) | Vysoká hustota výkonu CW | Hluboký (>5 mm) | Úzký švů, hluboký svar, vysoký poměr stran |
| Nepřetržitá vlna (CW) | Konstantní paprsek | Proměnná power | Stabilní vstup tepla, hladký svar |
| Pulzní | Prasknutí energie | Kontrolované <3 mm | Nízký vstup tepla, omezené zkreslení |
| Hybridní (Laser - Arc) | Laser + Já/mag oblouk | Hluboký + schopnost plniva | Tolerantní k zavedení, nižší laserová síla |
- Nepřetržitá vlna (CW): Poskytuje stálý paprsek pro konzistentní dodávání tepla, Ideální pro hluboké svařování klíčových dírky při vysokých rychlostech.
- Pulzní: Emituje krátké impulsy (µs - ms) omezit vstup tepla, Hloubka penetrace kontroly, a vytvořit vzhled svaru „naskládaných“.
- Hybridní laser - Arc: Kombinuje laserový paprsek s obloukem MIG/Mag, Nabízí hlubší pronikání při snížené laserové síle a zvýšené toleranci k mezerám kloubů.
3. Laserové svařovací zařízení a komponenty
3.1 Laserová zdrojová technologie
- Co₂ lasery: Vyplněný plyn, vysoká průměrná síla, ale vyžadují složitá zrcátka a mají delší vlnové délky (~ 10,6 µm).
- Nd:YAG lasery: Pevné státě, Q přepnuto pro pulzní provoz, Kompaktní rezonátor - ale nižší průměrný výkon než vlákno .
- Vláknité lasery: Zaměstnávejte dopovaná jádra vlákna pro zisk; nabídnout vynikající kvalitu paprsku, vysoká elektrická účinnost, a provoz bez údržby.
- Diskové lasery: Medium pro zisk tenkého průmyslu poskytuje vysokou hustotu výkonu a dobré tepelné zpracování, vhodné pro velmi vysoce výkonné aplikace.
3.2 Optický systém
- Dodávka paprsku: Zrcadla (Reflexní optika) nebo kabely s optickými vlákny vede paprsek ze zdroje do pracovní hlavy.
- Zaostření optiky: Použijte parabolická zrcadla (Co₂) nebo čočky ZNSE/KCL (Až ~ 4 kW) soustředit paprsek na ohnisková místa 0,1–1 mm.
- Tvarování paprsku: Pokročilé moduly tvarování paprsku (např., Difrakční optika) může přizpůsobit profily intenzity pro přizpůsobené geometrie svaru.
3.3 Kontrola pohybu
- Karteziánské gantrie & Roboti: Poskytněte opakovatelný pohyb XYZ; Roboti umožňují pětileté artikulace pro složité geometrie.
- Galvanometer skenery: Rychlá zrcátka řízení pro svařování na letu bez přesunu obrobku.
- Integrovaná kontrola: Koordinační koordinace v reálném čase spojuje napájení paprsku, Parametry pulsu, a rychlost cestování pro konzistentní kvalitu svaru.
3.4 Systém chlazení a bezpečnosti
- Chlazení: Vodové chladiče s uzavřenou smyčkou udržují laserový zdroj a optiku při stabilních teplotách, prevence tepelného driftu.
- Stínění plynu: Argon nebo helium chrání svařovací fond před oxidací a absorpcí plazmy.
- Kryty & Blokování: Pouzdra laserových pásů s zámky dveří a nouzové zastávky zajišťují bezpečnost operátora.
- Extrakce dýmu: Ventilační systémy odstraňují kouř, cákanec, a páry pro udržení optické čistoty a zdraví na pracovišti.
4. Procesní parametry a optimalizace
4.1 Klíčové procesní parametry
| Parametr | Definice | Dopad na kvalitu svaru | Tipy pro nastavení |
|---|---|---|---|
| Laserová síla (Str) | Energetický výstup (W) | Vyšší síla zvyšuje penetraci; Rizika rozstřikem, pokud je nadměrný. | Začněte s tloušťkou 200 W/mm pro ocel. |
| Rychlost svařování (proti) | Míra pohybu paprsku (m/my) | Rychlejší rychlosti snižují HAZ, ale vyžadují vyšší sílu pro fúzi. | 1–5 m/min pro 1–5 mm ocel; 0.5–2 m/min pro hliník. |
| Zaostřovací pozice (F) | Vzdálenost od objektivu k obrobku (mm) | +f pro hlubší pronikání; -f pro širší, mělké svary. | Pro měnící se tloušťku plechu použijte automatické zaostření. |
| Pomáhat plynu | Typ/tlak (např., N₂, 15 bar) | Zabraňuje oxidaci (N₂/on) nebo zvyšuje fúzi (O₂). | Dusík pro nerezovou ocel; kyslík pro ocel. |
| Doba trvání pulsu (T) | Čas na puls (paní, pro pulzní lasery) | Kratší τ pro mikroman; delší τ pro silnější materiály. | 1–10 ms pro měď 0,1–1 mm; 50–100 ms pro 2–5 mm hliník. |
4.2 Techniky optimalizace
- Hnízdní software:
- Programy, jako je AUTOCAD Weld, optimalizují cesty svaru, aby se minimalizovaly odtáčení, zkrácení doby cyklu 20%.
- Monitorování v reálném čase:
- Pyrometry měří teplotu taveniny (např., 1800° C pro ocel) Upravit sílu v reálném čase.
- Systémy strojového vidění detekují defekty (pórovitost, podříznutí) s 99% přesnost.
5. Proces svařování pro konkrétní materiály
Adaptabilita laserového svařování umožňuje připojit se k různým materiálům:
5.1 Železné kovy
- Nerez: Laserové svařování produkuje úzké, hluboké svary s minimálním zkreslením, Ideální pro aplikace vyžadující vysokou odolnost proti korozi.
- Uhlíková ocel: Vyžaduje přesnou kontrolu, aby se zabránilo praskání; Předehřívání může být nezbytné pro varianty s vysokým obsahem uhlíku.
5.2 Nevolné kovy
- Hliník: Vysoká odrazivost a tepelná vodivost představují výzvy; Použití laserů kratší vlnové délky a správné přípravy povrchu zlepšuje výsledky.
- Měď: Jeho vysoká odrazivost a vodivost vyžadují vysoce výkonné lasery nebo specializované vlnové délky, jako jsou modré lasery, Chcete -li dosáhnout kvalitních svarů .
5.3 Speciální materiály
- Slitiny titanu: Vyžadujte inertní stínění plynu, aby se zabránilo kontaminaci; Laserové svařování nabízí přesnou kontrolu, aby bylo vhodné pro letecké aplikace.
- Slitiny niklu: Přínos ze schopnosti laserového svařování produkovat klouby s vysokou pevností s minimálními zónami zasaženými do tepla.
6. Výhody laserového svařování
6.1 Přesnost a kontrola
- Schopnost mikro-svaření:
- Spojuje dráty o průměru 50 μm v MEMS senzorů 99.9% Míra úspěšnosti, kritické pro navigační systémy v leteckém prostoru.
- Rozměrová přesnost:
- ± 0,02 mm tolerance pro komponenty pro automobilový průmysl, Eliminace obrábění po západu.
6.2 Všestrannost
- Odlišné svařování materiálu:
- Ocel na hliníkové klouby v motorech EV, dosaženo laserovým pájením s kovem plniva z hliníku.
- Komplexní geometrie:
- 3D Laserová svařování zakřivených titanových listů pro trysky rakety, Proces nemožný s tradičními metodami.
6.3 Rychlost a účinnost
- Propustnost:
- Laserové svary 5 kW vlákna 1000 automobilové dveře za hodinu, 3x rychlejší než svařování Tig.
- Úspory energie:
- Konzumují lasery vlákna 50% méně elektřiny než lasery Co₂, Snížení provozních nákladů na 0,30 - 1,00 $ za metr svařovacího.
7. Aplikace laserového svařování
7.1 Automobilový průmysl
- Body-in-White (Lavice):
- Gigafactories Tesla používají lasery 10 kW vlákny ke svařovacím hliníkům a komponentům BiW z oceli a oceli, Snížení hmotnosti vozidla 20% a zlepšení bezpečnosti havárie.
- Hnací ústrojí:
- Diferenciální převody s laserem (20Ocel MNCR5) s tolerancí mezery 0,1 mm, Zajištění hladkého provozu na 10,000 RPM.
7.2 Letecký průmysl
- Strukturální komponenty:
- Boeing 787 Dreamliner používá laserové svařování pro titanové křídlo, Snížení počtu součástí 30% a čas montáže 50%.
- Díly motoru:
- Motory Trent Rolls-Royce mají laserově svařované spalovací slitiny, odolat 1500 ° C a zlepšení palivové účinnosti 5%.
7.3 Elektronický průmysl
- Mikroelektronika:
- Kontakty baterie Apple Watch (0.2MM-TICK COPPER) svařované pulzními diodovými lasery, dosažení 99.99% výnos ve výrobě s vysokým objemem.
- Optoelectronics:
- Hermetické těsnění laserových diod s přesností 10 μm, kritické pro komunikační zařízení z optických vláken.
7.4 Lékařská zařízení
- Chirurgické nástroje:
- Počinky z nerezové oceli s laserem s drsností 5 μm, Setkání ISO 23360 lékařské standardy.
- Implantovatelná zařízení:
- Stentové štěpy (slitina nitinolu) svařované ultrarychlými lasery, Minimalizace tepelného poškození vlastností tvaru paměti.
7.5 Energie a konstrukce
- Obnovitelná energie:
- Rámečky solárních panelů (hliník) Přivařené po 10 m/min s 1 kW lasery, povolení 98% Využití materiálu ve výrobě modulu PV.
- Infrastruktura:
- Ocelové mosty s laserem (20mm tlustý) pomocí hybridní technologie, Snížení nákladů na údržbu 40% Kvůli vynikající únavové odolnosti.
8. Laserové svařování vs.. Konvenční svařování
Laserové svařování se liší od konvenčních metod svařování několika způsoby:
- Vstup tepla: Laserové svařování má nižší vstup tepla, Snížení zkreslení a zlepšení kvality kloubu.
- Rychlost: Laserové svařování je obecně rychlejší, vedoucí k kratším výrobním dobám.
- Materiálová všestrannost: Laserové svařování se může připojit k širším rozsahu materiálů a tloušťky než mnoho tradičních metod.
Tabulka 2: Porovnání metod svařování
| Funkce | Laserové svařování | Konvenční svařování |
|---|---|---|
| Vstup tepla | Nízký | Vysoký |
| Rychlost | Rychle | pomaleji |
| Rozsah materiálu | Široký | Omezený |
| Přesnost | Vysoký | Proměnná |
9. Časté dotazy laserového svařování
Q1: Jaké typy materiálů lze přivařit lasery?
A1: Lasery mohou svařit různé materiály, včetně železných a neželezných kovů, plasty, a kompozity.
Q2: Jaký je rozdíl mezi kontinuálním a pulzním laserovým svařováním?
A2: Kontinuální svařování laseru používá konstantní paprsek pro vysokorychlostní aplikace, Zatímco pulzní laserové svařování přináší energii ve výbuchu pro větší kontrolu.
Q3: Jak laserové svařování porovnává s tradičními metodami svařování?
A3: Laserové svařování nabízí nižší vstup tepla, vyšší přesnost, a větší rychlost ve srovnání s mnoha konvenčními svařovacími technikami.
10. Závěr
Laserová svařovací technologie způsobila revoluci výrobního prostředí, nabízet přesné, účinný, a všestranná řešení pro různé aplikace.
Pochopení jeho principů, výhody, a aplikace umožňují průmyslovým odvětvím tuto technologii efektivně využívat.
Jak pokrok pokračuje, Laserové svařování bude hrát stále důležitější roli v moderních výrobních procesech, Řízení inovací a efektivity napříč odvětvími.
Náš partner: https://dz-machining.com/